DOSSIER T R ATA M I E N T O T E R C I A R I O Y R E U T I L I Z A C I Ó N Resumen En el presente trabajo se presentan los resultados obtenidos al someter a las aguas residuales urbanas depuradas de la EDAR de Jerez de la Frontera a un proceso de desinfección con radiación UV. El objetivo de esta desinfección es el estudio de su posible reutilización en usos municipales y turístico/recreativos. Los resultados obtenidos indican que dosis UV a 1.265 J/m2 producen una eliminación próxima al 99,9% de los microorganismos estudiados (coliformes totales, coliformes fecales y estreptococos fecales) en más del 77% de los ensayos realizados. El coste unitario de desinfección, a escala industrial, ha resultado ser de 0,03 7/m3 de agua, lo que hace que el tratamiento de radiación UV sea muy competitivo frente a otros sistemas de desinfección.

Palabras clave: Radiación ultravioleta, desinfección, agua residual, reutilización.

227 / AGOSTO / 2002

Abstract Disinfection process of municipal wastewater through ultraviolet radiation: Application in the wastewater treatment plant of Jerez de la Frontera. This paper reports the results obtained of the disinfection through ultraviolet radiation of the treated municipal wastewater in the plant of Jerez de la Frontera for possible municipal and turist/recreational reuse. The results obtained show that 1.265 J/m 2 of UV dosis cause nearly a 99,9% decrease of the studied microorganisms (total coliform, fecal coliform and fecal streptococos) in more than 77% of the carried out studies. The disinfection unitary cost, at industrial scale, was 0,03 7/m3 wastewater, which means the UV radiation treatment is very competitive against others disinfection systems.

Keywords: Ultraviolet radiation, disinfection, wastewater, reuse.

42 TECNOLOGIA DEL AGUA

Desinfección de aguas residuales urbanas mediante radiación ultravioleta: Aplicación en la EDAR de Jerez de la Frontera Por: Inmaculada Salcedo Dávila (*); José Antonio Andrades Balao (**); José María Quiroga Alonso (*); Enrique Nebot Sanz (*) (*)

(**)

Departamento de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales. Universidad de Cádiz Campus Río San Pedro, s/n - 11510 Puerto Real (Cádiz) E-mail: [email protected] Aguas de Jerez, EMSA C/ Cádiz, 1. CR Divina Pastora - 11402 Jerez de la Frontera (Cádiz)

1. Introducción n una comunidad autónoma como la Andaluza, donde las fuentes de abastecimiento de agua son limitadas, con zonas geográficas en las que son frecuentes largos períodos de sequía, la reutilización del agua residual depurada, como fuente alternativa de abastecimiento para diversos usos, adquiere cada día más importancia. En la mayoría de las aplicaciones de reutilización del agua residual, la desinfección, cuya finalidad es eliminar bacterias, virus y parásitos patógenos, es una fase obligada antes de la reutilización para poder asegurar la protección del medio ambiente y de la salud pública. Dentro de las tecnologías de desinfección, el tratamiento de una masa de agua con radiación ultravioleta (UV) consigue la inactivación, en pocos segundos, de los microorganismos presentes en la misma. El efecto se realiza esencialmente por las reacciones fotoquímicas que la luz UV descarga sobre el centro de información y replicación

E

de las bacterias, el ácido desoxirribonucléico (ADN), debido a que estos componentes absorben radiaciones con longitudes de onda entre 250 y 260 nanómetros (nm) [4, 5, 10]. Dentro de este contexto, y ante la prevista demanda de grandes volúmenes de aguas para el riego de zonas verdes y deportivas, el Ayuntamiento de Jerez de la Frontera, a través de su empresa municipal Aguas de Jerez y en colaboración con el Grupo de Investigación "Tecnología del Medio Ambiente" de la Universidad de Cádiz, lleva realizando, desde principios del 2000, un trabajo experimental de desinfección mediante radiación ultravioleta en la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) de la ciudad. En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos al estudiar las posibilidades de reutilización del agua depurada de la citada EDAR, después de someterla a un tratamiento con radiación ultravioleta. Se han exigido unos índices mínimos de calidad a las aguas y se

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han calculado los rendimientos alcanzados en el proceso de desinfección. Además, se ha efectuado el cálculo de la instalación industrial de radiación UV necesaria para un caudal de 450 m3/h, con una estimación, para el presente año 2002, de los costes operacionales y de implantación del sistema.

2.1. Ubicación y descripción de la planta piloto de radiación ultravioleta Los experimentos se llevaron a cabo en la EDAR de Jerez de la Frontera, que trata las aguas residuales mediante un tratamiento convencional de lodos activados. Se instaló una planta piloto de radiación UV a la salida de la EDAR, antes del vertido de las aguas al medio. Un diagrama de flujo del sistema aparece recogido en la Figura 1. El equipo (Figura 2), cedido por la empresa Wedeco, Water Technology, estaba dotado con un soporte/reflector plano, cuatro lámparas ultravioleta Spektrotherm, un sensor ultravioleta y un sistema automático de limpieza, consistente en dos rascadores de politetraflúor de etileno no abrasivos y resistentes a la luz UV. Las lámparas UV estaban selladas individualmente en tubos de cuarzo que permiten el paso de la luz germicida. Cada lámpara, de alto rendimiento (tecnología de baja presión), presentaba una potencia de luz germicida de 125 W y producía una luz UV estable en un amplio rango de temperatura (5-60°C). El módulo de radiación UV estaba instalado dentro de un canal de acero inoxidable, colocado horizontal y paralelamente a la corriente de agua. 2.2. Criterios de calidad A la espera de la normativa que debe legislar el Gobierno Central y/o Autonómico para establecer la calidad del agua requerida en cada una de las posibles aplicaciones de

Figura 1. Diagrama de flujo del tratamiento de desinfección.

reutilización, en el presente trabajo de investigación se han utilizado los estándares de calidad sugeridos por la Consejería de Salud de la Junta de Andalucía [3]. En dichos estándares, para los usos del agua residual aplicables a este estudio (usos de reutilización municipal y turístico/recreativo, riego de campos deportivos y de zonas verdes con acceso público) se establece como valor máximo de coliformes fecales (CF) 200 Unidades Formadoras de Colonias por cada 100 mL (UFC/100mL), sin especificar estándares para otros parámetros bacterianos. Además de este parámetro, en el presente trabajo se han introducido otras dos variables microbiológicas, los coliformes totales (CT) y estreptococos fecales (EF), adoptando como estándar de calidad para ellas los valores máximos de 1.000 y 200 UFC/100 mL, respectivamente (Tabla 1). 2.3. Dosis ultravioleta La efectividad de la radiación UV es una función directa de la can-

Figura 2. Módulo ultravioleta modelo TAK 55 2–1/32143CW.

tidad de energía, o dosis, absorbida por los microorganismos. Esta dosis se describe como el producto de la cantidad de energía aplicada, o intensidad, y el tiempo de exposición de los microorganismos a esa intensidad. D=I·t donde D es la dosis UV (J/m2); I es la intensidad UV (J/m2·s), y t es el tiempo de exposición (s). En la desinfección UV del agua residual intervienen factores que dificultan o impiden que los microorganismos reciban la dosis UV deseada. De todos los factores, la calidad del agua residual que se desea tratar

Tabla 1 Aplicaciones de reutilización (a, b) Municipal (a)

Riego de campos deportivos y de zonas verdes con acceso público

Turístico y recreativo (b)

Riego de campos deportivos y de zonas verdes con acceso público

Estándar de calidad utilizado Coliformes totales (UFC/100mL) < 1.000 (1) Coliformes fecales (UFC/100mL) < 200 (2) Estreptococos fecales (UFC/100mL) < 200 (1) Idem a

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2. Material y métodos

(1) Consideraciones particulares. (2) Consejería de Salud de la Junta de Andalucía [3].

Tabla 1. Estándares de calidad mínima recomendada para las distintas aplicaciones de reutilización.

TECNOLOGIA DEL AGUA

43

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Tabla 2 Parámetros

Unidad

Método analítico

Relacionados con la materia orgánica Turbidez (Turb.) Sólidos en Suspensión Totales (SST) Demanda Química de Oxígeno (DQO) Carbono Orgánico Disuelto (COD)

UNT mg/L mg O2/L mg C/L

Nefelométrico Gravimétrico Colorimétrico Combustión-infrarrojo

Relacionados con la materia inorgánica pH Conductividad (Cond.)

unidades de pH µS/cm

Electrométrico Electrométrico

UFC/100mL UFC/100mL UFC/100mL

Filtración por membrana Filtración por membrana Filtración por membrana

J/m2 %/cm m3/h

EPA/625/1-86/021 Espectrofotométrico Contador de agua

Microbiológicos Coliformes totales (CT) Coliformes fecales (CF) Estreptococos fecales (EF) Relacionados con la radiación UV Dosis UV (D) Transmitancia UV (Trans.) Caudal (Q)

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Tabla 2. Parámetros analizados y método analítico empleado.

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es el que tiene, en general, mayor impacto. Es decir, factores como la transmitancia del agua a 254 nm (transmitancia UV), los sólidos en suspensión, el número de microorganismos, la distribución de las partículas (número, tamaño, composición, etc.) y la relación entre bacterias libres y asociadas a las partículas, son los que principalmente afectan a la cantidad de energía UV absorbida por los microorganismos [2, 6, 7, 9]. Por estos motivos, calcular correctamente la dosis UV que el sistema administra a los microorganismos es crucial para el funcionamiento óptimo de cualquier instalación UV. La determinación experimental de la dosis se realizó conforme al modelo descrito en el Manual de Diseño para la Desinfección de Aguas Residuales Municipales de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA/625/186/021) [8]. Este modelo permite construir una función de Transmitancia/Caudal/Dosis, mediante la cual se calcula la dosis UV en función del caudal de trabajo y la transmitancia UV del agua. 2.4. Metodología Se realizaron un total de 100 ensayos, desarrollados en el período TECNOLOGIA DEL AGUA

comprendido entre febrero y julio del 2000, con el objetivo de tratar aguas de diferentes calidades, ya que éstas se ven influenciadas por las variaciones estacionales y podrían afectar a la eficacia de desinfección de la radiación ultravioleta. En el desarrollo de los experimentos, antes de considerar el tiempo cero, se dejaba circular el agua como mínimo durante unos quince minutos, con el objeto de asegurar que se renovase el agua estancada en las conducciones y que las lámparas UV estuviesen en régimen de funcionamiento. Transcurridos otros quince minutos, se tomaban muestras puntuales a la entrada y salida de la unidad de radiación para analizarlas y determinar así el rendimiento de desinfección. Para el cálculo correcto de la dosis UV, al inicio de cada ensayo, y antes del tratamiento de desinfección, se tomaba una muestra de agua residual depurada, a la que se le determinaba el valor de la transmitancia UV. Seguidamente, en función de la dosis con la que se deseaba ensayar y a partir del modelo EPA/625/1-86/021, se ajustaba el caudal del agua de entrada a la instalación UV. La determinación del caudal se realizaba a partir del registro de los cambios de volumen que

mostraba el contador instalado antes de la unidad de desinfección, durante periodos de tiempo, de al menos, 5 minutos. Los parámetros utilizados para la caracterización de las aguas antes y después del tratamiento de desinfección, así como los métodos analíticos empleados para su determinación, se recogen en la Tabla 2. Todos los análisis se efectuaron siguiendo la metodología recomendada en el manual Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales [1]. 2.5. Tratamiento estadístico de los datos El diseño de la base de datos de esta investigación se realizó empleando todas las variables de tipo numérico, con 200 observaciones por variable. En el procesado de datos se emplearon los paquetes estadísticos STATISTICA 5.0 y SPSS 10.0, así como las hojas de cálculo EXCEL 97 y SigmaPlot 4.0. Todo el software fue utilizado bajo entorno WINDOWS 98. Se han representado las variables mediante gráficos de tendencia asociada a las mismas, los cuales aportan información sobre los valores máximos y mínimos del parámetro, así como el valor de la mediana y la distribución de los resultados entre el 25 y el 75% (cuartil inferior y superior, respectivamente). 3. Exposición y discusión de los resultados 3.1. Caracterización de las aguas residuales depuradas antes del tratamiento con radiación ultravioleta Puesto que la calidad del agua incide en la eficacia del sistema de desinfección con radiación UV, debe considerarse su variación dentro del diseño de cualquier instalación, incluyendo los valores más desfavorables sobre los que se desea que la desinfección obtenga una calidad de salida determinada.

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Q (m3/h)

T (%/cm)

pH

Cond. (µS/cm)

Turb. (UNT)

COD (mg C/L)

DQO (mg O2/L)

SST (mg/L)

CT (UFC/100mL)

CF (UFC/100mL)

EF (UFC/100mL)

Mes

m

Md

Min

Máx

Q1

Q2

CV

Febrero Marzo

23,9 25,0

23,8 20,3

13,9 14,8

33,0 45,5

16,6 18,5

29,6 33,8

27,9 36,8

Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril

22,7 23,1 23,2 28,0 49,0 46,4 46,5 44,3 38,8 53,8 7,7 7,7 7,6 7,7 7,7 7,8 1.575 1.517 1.338 1.640 1.674 1.528 7,3 7,0 6,3 8,3 12,6 6,8 15,9 17,1 17,0 18,1 23,1 18,3 65 67 51

24,2 22,9 20,0 31,1 51,2 46,2 43,8 44,8 38,6 51,5 7,7 7,6 7,6 7,7 7,7 7,8 1.564 1.521 1.587 1.654 1.666 1.546 5,7 7,0 5,0 8,4 9,6 6,6 16,7 17,5 17,4 17,9 23,6 18,7 64,0 67,0 47,0

12,1 14,6 15,5 13,3 38,0 38,0 28,1 32,3 24,1 49,7 7,5 7,6 7,5 7,6 7,6 7,8 1.537 1.436 736 1.510 1.594 1.480 4,6 4,1 2,8 4,0 6,3 4,8 12,0 14,2 10,8 12,6 20,1 15,9 49,0 46,0 34,0

32,6 28,8 44,3 37,1 55,0 56,6 60,4 54,6 52,5 60,7 7,9 7,8 7,8 7,8 7,8 7,9 1.645 1.616 1.693 1.729 1.757 1.558 12,2 9,7 12,2 12,2 24,5 9,4 18,8 20,1 24,1 24,9 25,6 20,9 88,0 84,0 98,0

17,8 21,2 18,9 18,4 43,4 41,5 39,8 34,2 26,6 49,7 7,7 7,6 7,5 7,7 7,7 7,8 1.553 1.468 911 1.550 1.617 1.482 5,1 5,3 4,1 4,5 6,7 5,2 14,5 15,7 12,9 13,3 21,0 16,2 58,0 62,0 39,8

26,5 27,5 26,0 35,6 53,0 51,6 57,2 54,2 48,3 59,9 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,9 1.590 1.551 1.643 1.717 1.748 1.555 10,0 8,8 9,3 12,0 19,6 8,4 17,3 18,1 20,7 22,7 25,2 19,8 70,0 72,0 62,3

22,1 23,9 34,8 33,3 11,1 12,4 22,8 23,8 27,9 9,4 0,1 0,1 1,6 0,1 0,7 0,5 2,2 3,4 27,7 5,1 3,8 2,4 38,1 25,9 47,5 46,3 55,8 25,5 11,5 8,8 25,0 26,6 9,3 10,5 16,0 12,4 31,0

Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio

47 80 44 15 13 12 14 21 9 2,50E+06 3,10E+06 3,02E+06 6,23E+06 9,92E+06 1,10E+07 3,26E+05 1,87E+05 9,75E+04 4,78E+05 1,20E+06 6,58E+05 1,04E+05 1,19E+05 5,20E+04 1,01E+05 2,61E+05 9,38E+04

46,5 73,5 44,5 12,0 12,0 10,5 13,5 15,0 8,0 2,77E+06 2,91E+06 1,58E+06 6,04E+06 1,06E+07 1,23E+07 2,40E+05 1,77E+05 7,79E+04 4,19E+05 1,02E+06 4,17E+05 7,00E+04 1,31E+05 4,80E+04 6,77E+04 1,59E+05 1,16E+05

32,0 58,0 38,0 9,0 7,0 6,0 6,0 9,0 6,0 3,30E+05 2,10E+05 4,10E+05 2,30E+06 2,87E+06 2,65E+06 9,00E+03 9,00E+03 4,00E+03 3,33E+04 4,00E+05 2,30E+04 6,30E+03 9,70E+03 1,00E+03 1,40E+04 8,00E+04 1,87E+04

66,0 118,0 49,0 22,0 18,0 23,0 24,0 40,0 15,0 4,97E+06 8,50E+06 9,45E+06 1,12E+07 1,93E+07 1,85E+07 9,80E+05 6,32E+05 3,60E+05 1,09E+06 2,35E+06 1,56E+06 3,10E+05 3,03E+05 1,22E+05 2,47E+05 7,50E+05 1,58E+05

38,5 62,5 39,5 11,0 10,0 7,0 7,3 10,8 6,0 1,08E+06 6,28E+05 8,03E+05 2,76E+06 5,11E+06 2,89E+06 1,15E+04 3,60E+04 3,63E+04 4,93E+04 5,37E+05 3,05E+04 2,33E+04 3,77E+04 1,42E+04 1,68E+04 9,35E+04 2,17E+04

53,8 98,8 49,0 20,0 15,0 17,0 21,5 33,8 12,0 4,22E+06 4,77E+06 5,97E+06 9,95E+06 1,32E+07 1,76E+07 5,45E+05 2,80E+05 1,04E+05 8,90E+05 1,83E+06 1,52E+06 1,68E+05 1,80E+05 8,47E+04 2,16E+05 3,78E+05 1,38E+05

22,7 24,9 10,5 31,5 23,6 46,0 52,4 58,0 39,1 64,2 75,0 101,6 56,0 55,4 62,6 99,2 89,2 93,9 95,4 60,7 106,0 89,8 71,6 77,7 97,7 96,6 62,7

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Tabla 3 Parámetro

45

µ: Media Md: Mediana Min: Mínimo Máx: Máximo Q1: Cuartil inferior Q2: Cuartil superior CV: Coeficiente de Variación

Tabla 3. Resultados del tratamiento estadístico mensual de las aguas residuales antes del tratamiento con radiación ultravioleta. TECNOLOGIA DEL AGUA

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Figura 3. Gráficos de tendencia asociada de la Turbidez, los Sólidos en Suspensión Totales, la Demanda Química de Oxígeno y el Carbono Orgánico Disuelto.

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Teniendo esto en cuenta, se estudió estadísticamente la evolución estacional que experimentó el agua de salida de la EDAR de Jerez durante el período de muestreo (Tabla 3), recurriéndose a los gráficos de tendencia asociada para obtener una visión general de las dispersiones que sufrieron las variables más representativas (Figuras 3 y 4). Los coeficientes de variación (Tabla 3) muestran como, en general, las medidas de las variables fisicoquímicas no sufrieron grandes variaciones a lo largo del período de estudio. Por el contrario, los parámetros bacteriológicos presentaron grandes dispersiones, con coeficientes de variación próximos e incluso, en algunos casos, superiores a cien. Al analizar las oscilaciones de la mediana de los parámetros microbiológicos se observa que éstas varían entre 1,6 y 12,3·106 UFC/100 mL para los CT; entre 7,8 y 102,0·104 UFC/100 mL para los CF y entre 4,8 y 15,9·104 UFC/100 mL para los EF. TECNOLOGIA DEL AGUA

Tabla 4 Entrada Parámetro

Salida

Media

Mínimo

Máximo

Media

Mínimo

Máximo

Q (m3/h)

24,1

12,1

45,5

24,1

12,1

45,5

D (J/m2)

–

–

–

975

438

2.208

46,39

24,10

60,67

46,71

23,99

60,81

7,7

7,5

7,9

7,7

7,4

7,8

1.506

736

1.757

1.505

721

1.750

Turb. (UNT)

7,5

2,8

24,5

7,6

2,6

24,3

SST (mg/L)

14

6

40

14

5

39

DQO (mg O2/L)

61

32

118

60

32

98

COD (mg C/L)

17,6

10,8

25,6

17,5

9,9

25,9

4.381.380

210.000

19.300.000

1.881

22

23.800

Trans. (%/cm) pH Cond. (µS/cm)

CT (UFC/100mL CF (UFC/100mL)

339.978

4.000

2.350.000

242

1

3.800

EF (UFC/100mL)

110.215

1.000

750.000

109

1

921

Tabla 4. Valores de los parámetros físicos, químicos y microbiológicos de las aguas residuales antes y después de la radiación ultravioleta.

Este hecho se ratifica con los gráficos de tendencia asociada: mientras que los valores de la mediana de los parámetros relacionados con la presencia de materia orgánica (Fi-

gura 3) prácticamente permanecen invariables durante el período de muestreo, la mediana de los parámetros microbiológicos (Figura 4) sufre un claro ascenso a partir del

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3.2. Análisis cualitativo y cuantitativo de la eficacia de la radiación UV Para poder estudiar la eficacia del tratamiento de radiación UV en las aguas residuales, y ver si cumplen los criterios mínimos de calidad establecidos previamente para su reutilización (Tabla 1), se determinaron las características del agua de salida de la planta. En la Tabla 4 se muestran los valores medios, mínimos y máximos de los parámetros físicos, químicos y microbiológicos, junto con los caudales y las dosis ensayadas, para las aguas residuales a la entrada y salida de la instalación UV. Al comparar los resultados, se observa como únicamente los parámetros microbiológicos sufren variaciones, con lo que se comprueba que la radiación UV se comporta como un agente desinfectante físico y no como un agente químico oxidante. Para que el tratamiento de desinfección de las aguas residuales sea adecuado para su implantación en la EDAR de Jerez, se ha establecido como condición que en el 95% de las muestras la concentración de los diferentes microorganismos estudiados a la salida del tratamiento debería estar por debajo de los criterios de calidad establecidos en la Tabla 1. En este apartado se muestra el número de experimentos que cumplieron los requisitos exigidos. Al igual que para las aguas sin irradiar (Tabla 3), los valores mensuales de la mediana de los parámetros microbiológicos tras la radiación UV mostraron importantes oscilaciones, siendo éstas de entre 1,3 y 134·10 2 UFC/100 mL en los CT; de 1,2 y 128·10 UFC/100 mL en los CF, y de 1,0 y 14·10 UFC/100 mL en los EF (Tabla 5). Al estudiar los valores medios globales de estas variables se observó como en un porcentaje del 77, 83 y

Figura 4. Gráficos de tendencia asociada de los coliformes totales, coliformes fecales y estreptococos fecales.

84% de los ensayos, respectivamente, se cumplía el estándar de calidad indicado (Tabla 5). Para determinar las posibles causas que provocaron que parte de los

experimentos realizados no cumpliesen los requisitos establecidos, se estudió la evolución de las variables microbiológicas, tanto en función de la dosis aplicada como del TECNOLOGIA DEL AGUA

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mes de abril, manteniéndose el alza hasta finales de junio (segunda mitad del período de experimentación).

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DOSSIER T R ATA M I E N T O T E R C I A R I O Y R E U T I L I Z A C I Ó N

Tabla 5 Parámetro

Mes

Media

Mediana

Mínimo

Máximo

Febrero

1,30·102

1,27·102

3,40·101

2,50·102

Marzo

2,46·102

1,64·102

2,20·101

8,00·102

Abril

7,56·102

3,85·102

9,60·101

2,54·103

Mayo

4,49·102

2,56·102

1,17·102

1,26·103

Junio

1,17·104

1,34·104

1,23·103

2,38·104

Julio

5,18·103

5,11·103

1,50·103

1,27·104

Febrero

1,64·101

1,40·102

6,00·100

3,80·101

Marzo

3,90·101

1,20·101

1,00·100

1,45·102

Abril

5,70·101

3,05·101

2,00·100

2,19·102

Mayo

1,99·102

1,17·102

5,30·101

6,24·102

Junio

1,22·103

1,28·103

2,40·102

1,75·103

Julio

7,49·102

5,82·102

4,00·101

2,36·103

Febrero

1,82·101

1,00·101

3,00·100

7,40·101

Marzo

1,17·102

2,80·101

1,00·100

9,21·102

Estreptococos fecales

Abril

1,09·102

1,90·101

3,00·100

6,88·102

(UFC/100mL)

Mayo

1,56·102

2,00·101

4,00·100

4,53·102

Junio

2,31·102

1,39·102

4,00·101

8,00·102

Julio

6,12·101

4,00·101

9,00·100

2,02·102

Coliformes totales (UFC/100mL)

Coliformes fecales (UFC/100mL)

Concentración media global

Porcentaje que cumple la calidad establecida

1.880

77%

241

83%

109

84%

227 / AGOSTO / 2002

Tabla 5. Caracterización y calidad microbiológica del agua residual después del tratamiento con radiación ultravioleta.

48

período de muestreo (Figura 5). La línea de referencia marca el valor de calidad mínimo requerido en cada microorganismo analizado. Se observa que los ensayos que no cumplen los requisitos de calidad fueron desarrollados con dosis ultravioleta entre 537 y 1.265 J/m2, coincidiendo con la segunda mitad del periodo de muestreo, en la que las características microbiológicas del agua de entrada a la planta piloto mostraban peor calidad (Tabla 3). Para dosis similares, cuanto menor es la concentración inicial de microorganismos, menor es el número de organismos supervivientes. Los resultados experimentales obtenidos muestran como para dicho intervalo (537 y 1.265 J/m2), existen ensayos que sí cumplen los requisitos exigidos (Figura 5), correspondiendo estas muestras a ensayos donde las concentraciones bacteriológicas iniciales eran muy bajas, y por consiguiente, las concentracioTECNOLOGIA DEL AGUA

nes finales también. Se concluye pues que para concentraciones iniciales superiores a 107 UFC/100mL de coliformes totales, 106 de coliformes fecales y 3·105 de estreptococos fecales, concentraciones a partir de las cuales no se han cumplido los estándares de calidad (Tabla 3), debieron aplicarse dosis UV superiores a 1.265 J/m2. Por último, se realizó un estudio cualitativo de la eficacia de la radiación UV, calculando la reducción microbiológica experimentada por cada tipo de microorganismo analizado. Dado que la carga bacteriológica es diferente durante el periodo de muestreo (Figura 5), para el cálculo de los rendimientos de desinfección se han diferenciado los resultados obtenidos por meses de muestreo, de los conseguidos globalmente (Tabla 6). Estos rendimientos están expresados en tanto por ciento y en unidades logarítmicas. Tanto en el análisis mensual co-

mo en el global, se observa que la radiación ultravioleta consigue reducciones logarítmicas superiores a tres. Además se comprueba que incluso en los meses de abril a julio, donde tuvieron lugar las máximas concentraciones bacteriológicas, la radiación ultravioleta consigue una desinfección media del 99,8%. 3.3. Estudio TécnicoEconómico Se ha realizado un estudio económico del tratamiento de desinfección, considerando como dato de diseño un caudal a tratar de 450 m3/h. Los resultados obtenidos se presentan a continuación. 3.3.1. Cálculo de la instalación industrial necesaria Para la determinación de las características de la futura instalación industrial, se facilitaron todos los resultados del estudio a la empresa

DOSSIER T R ATA M I E N T O T E R C I A R I O Y R E U T I L I Z A C I Ó N

Wedeco, junto con las características del agua a tratar (Tabla 7) y las condiciones requeridas en el agua una vez desinfectada (Tabla 1). Se ha exigido una garantía, sobre la obtención de rendimientos, que suponga que el 95% de las muestras cumplan los valores recogidos en dicha tabla. En líneas generales, la configuración de la instalación propuesta por la citada empresa constaría de un sistema de desinfección instalado en un canal abierto, trabajando por gravedad, con ocho módulos UV y doce lámparas por módulo. Las

lámparas serían de alta intensidad y baja presión, con producción de 125 W de luz UV-C a 254 nanómetros, colocadas horizontal y paralelamente a la dirección del efluente. 3.3.2. Estimación de los costes de la instalación industrial Al coste del suministro de la instalación UV, que se eleva a 152.720 7, habría que sumar unos 50.485 7, correspondientes a los costes de implantación, los que elevaría el precio total de la instalación a unos 203.205 7.

3.3.3. Estimación de los costes operacionales de la instalación Para la determinación de los costes operacionales, se consideran unas condiciones de operación de 450 m3/h, 24 horas al día, 210 días al año, lo que supone un total anual de 2.268.000 m3 de agua tratada. Dado el número y características de las lámparas a instalar, se considera que el consumo horario de energía eléctrica será 31,7 kW·h, y que el coste de mantenimiento de equipos estará en torno a los 252,43 7 por semana de operación. AsiTECNOLOGIA DEL AGUA

227 / AGOSTO / 2002

Figura 5. Evolución de los microorganismos frente a la dosis UV y el periodo de muestreo.

49

DOSSIER T R ATA M I E N T O T E R C I A R I O Y R E U T I L I Z A C I Ó N

Tabla 6 Mes

Patógeno

Reducción (%)

Reducción (Log)

Febrero

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,988 99,960 99,951

4,3 3,9 3,7

Marzo

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,990 99,962 99,829

4,1 3,9 3,6

Abril

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,962 99,918 99,796

3,6 3,3 3,0

Mayo

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,994 99,931 99,893

4,3 3,3 3,3

Junio

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,865 99,858 99,873

3,0 3,0 3,1

Julio

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,904 99,736 99,870

3,3 2,7 3,2

Media global

Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales

99,965 99,924 99,853

3,8 3,5 3,4

Tabla 6. Capacidad cuantitativa mensual y global de reducción de microorganismos por la radiación ultravioleta en las aguas residuales depuradas.

Tabla 7 Parámetros de entrada

450

SST (mg/L)

≤ 30

Turbidez (UNT)

≤ 15

Transmitancia (%/cm)

≥ 30

pH Conductividad (–S/cm)

227 / AGOSTO / 2002

DQO (mg O2/L)

50

Diseño

Caudal (m3/h)

[7,8] [700,2000] ≤ 90

Coliformes totales (UFC/100mL)

< 2 · 107

Coliformes fecales (UFC/100mL)

< 2 · 106

Estreptococos fecales (UFC/100mL)

< 9 · 105

Tabla 7. Características del agua residual a tratar en la instalación ultravioleta.

mismo, se cuenta con la garantía de que las lámparas tendrán una duración mínima de 12.000 horas y se considera que la amortización de la instalación se realizará en 10 años. Las necesidades de personal y análisis, así como los precios unitarios y los costes anuales estimados, aparecen recogidos en las Tablas 8 TECNOLOGIA DEL AGUA

y 9. Teniendo en cuenta estos valores, se obtiene un coste unitario, exclusivamente de la desinfección, de 0,03 7/m3. 4. Conclusiones • La radiación ultravioleta consigue reducciones logarítmicas del contenido microbiológico superiores a tres, oscilando los valores medios entre 3,4 y 3,9 unidades, lo que equivale a unos porcentajes de eliminación próximos al 99,9%. • En más del 77% de los ensayos realizados se cumplió el estándar de calidad indicado para riego de zonas verdes, con acceso público, y zonas deportivas. • Mediante la aplicación de dosis UV superiores a 1.265 J/m 2, se consiguen reducciones microbiológicas que cumplen, en la gran mayoría de los casos, con la calidad del agua propuesta. • La planta piloto de radiación ultravioleta presenta óptimas condiciones de operación para dosis desde 400 a 2.200 J/m2, en aguas

residuales cuya concentración microbiológica sea inferior a: 107 UFC/100mL de coliformes totales, 106 de coliformes fecales y 3·105 de estreptococos fecales. • Para un caudal de 450 m 3/h, la implantación de la instalación de desinfección supondría una inversión en torno a los 203.205 7. • El coste unitario del tratamiento de desinfección, tomando como referencia el empleo de la instalación a pleno rendimiento durante 210 días al año, sería de unos 0,03 7/m3. 5. Agradecimientos Los autores desean expresar su más sincero agradecimiento a la empresa municipal Aguas de Jerez, por la colaboración prestada, facilitando los medios materiales y humanos para la realización del trabajo de investigación. También quisieran agradecer a la empresa Wedeco, Water Technology y al personal de la EDAR, perteneciente a Prosein, su colaboración técnica en la instalación y puesta en operación de la planta piloto. Así mismo, los autores quieren mostrar su gratitud al Ministerio de Ciencia y Tecnología por financiar el presente trabajo, a través de una beca de acción MIT. 6. Bibliografía [1] APHA; AWWA; WPCF. (1992). "Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales". Ed. Díaz de Santos, S.A. Edición en español. [2] CAIRNS, W.L.; PETROZZI, B. (1997). "Adelantos en la desinfección de aguas residuales por medio de luz ultravioleta". PROMA. V Congreso de Ingeniería Ambiental: Aire-Aguas. Feria Internacional de Bilbao. [3] CONSEJERIA DE SALUD. (1996). "Criterios para la evaluación sanitaria de proyectos de reutilización directa de aguas residuales urbanas depuradas". Consejería

DOSSIER T R ATA M I E N T O T E R C I A R I O Y R E U T I L I Z A C I Ó N

Tabla 8 Concepto

Requerimiento

kW·h

Coste (euros) 0,06 / kW·h

Personal de vigilancia y limpieza

14 horas

15,78 / hora

Personal de supervisión, control y ajustes

10 horas

31,55 / hora

100

94,66 / control

Controles analíticos Lámpara UV

[7]

340,77 / lámpara

Tabla 8. Precios unitarios de la instalación ultravioleta.

Tabla 9 Concepto

Coste (euros/año)

Energía eléctrica

9.074,13

Personal de vigilancia y limpieza

6.626,16

Personal de supervisión y control

9.465,94

Controles analíticos

9.465,94

Reposición de lámparas

13.740,00

Amortización sin intereses

20.320,22

Mantenimiento de equipos

7.572,75

TOTAL

76.265,14

[8]

[9]

Tabla 9. Costes anuales de la instalación ultravioleta.

de Salud de la Junta de Andalucía. Ed. Antonio Castillo Martín. Granada. [4] JAGGER, J. (1967). "Introduction to Research in Ultraviolet Photobiology". Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, NJ.

[5] KELLY, C.B. (1961). "Disinfection of Sea Water by Ultraviolet Radiation". American Journal of Public Health. Vol. 51. Nº 11. [6] LOGE, F.; EMERICK, R.W.; WILLIAMS, C.; KIDO, W.; TCHOBANOGLOUS, G.; DARBY, J. (1997). "Im-

[10]

pact of Particle Associated Coliform on UV Disinfection". Proceedings of the Water Environment Federation. 70th Annual Conference and Exposition. Chicago. TCHOBANOGLOUS, G.; EMERICK, R.; LOGE, R.; DARBY, J.; SOROUSHIAN, F. (1999). "Recent Developments in Ultraviolet Disinfection". 6th National Drinking Water and Wastewater Treatment Technology Transfer Workshop. U.S. Environmental Protection Agency. Kansas City, MO. UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. (1986). "Design Manual of Municipal Wastewater Disinfection". EPA/625/1-86/021. Office of Research and Development. Water Engineering Research Laboratory. Center for Environmental Research Information. Cincinnati, OH. UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. (1999). "Guidance Manual: Alternative Disinfectants and Oxidants". EPA 815-R-99-014. Office of Water (4607). WOLFE, R.L. (1990). "Ultraviolet Disinfection of Potable Water". Environmental Science Technology. Vol. 24. Nº 6. pp. 768-773.