Tema Desinfección UV

1. 1.-- INTRODUCCIÓN Aplicación en AA. PP. desde los años 50 (Europa, EE.UU.) Más extendida en pequeños abastecimientos Usos concretos: hospitales, escuelas, industrias de bebidas, de alimentos, farmacéuticas También se utiliza para la desinfección de efluentes de EDAR Buena eliminación de materia orgánica y SS En algún caso, filtración previa La escala expandida de la radiación UV se distribuye en: Rayos x UV — vacío ... UV-C ….. UV-B ... UV-A ... Luz visible Infrarrojo 100

200

280

315

400

800 nm

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Las radiaciones que alcanzan la superficie terrestre son las comprendidas entre los 280 nm y las próximas al infrarrojo, el resto son absorbidas por la capa atmosférica de ozono. La radiación UV aplicada a la desinfección es de onda corta (UV--C), consiguiéndose mediante fuentes artificiales de UV, (UV como son las lámparas de mercurio de baja y media presión. La radiación UV resulta del flujo de electrones del vapor de mercurio ionizado, entre los electrodos de la lámpara. Igual que en las fluorescentes, pero en éstas el bulbo está recubierto con una capa de fósforo que convierte la “luz” UV en luz visible.

1.1.-- Cinética de inactivación y dosis 1.1. La cinética de inactivación microbiana por UV sigue la ley de Chick:

N = N 0 e − k I TC Donde: N0 = conc. conc. inicial de microbios previa a la aplicación de UV, N = conc. conc. microbiana remanente después de la exposición a luz UV, I = intensidad UV por unidad de superficie lámpara (µ (µW/cm2), TC = tiempo de exposición (seg (seg), ), k = constante cinética de inactivación.

Siendo

µW--s/cm2). D = I × TC dosis de UV (µW

Una interpretación útil de la ley de Chick es que por cada incremento en dosis UV igual a 2.3/k hay una reducción de 1 orden log de la población microbiana.

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Aplicaciones de la ley de Chick

En el poder de desinfección de las lámparas de UV, juega un papel importante el diseño del equipo, principalmente sus dimensiones, ya que por ejemplo la intensidad disminuye a medida que nos alejamos de la fuente de luz, y a su vez el tiempo de contacto depende del caudal aplicado. Los sistemas UV pueden utilizar lámparas de baja y media presión. A su vez las configuraciones de los reactores son diferentes, y dependen del fabricante

2. 2.-- MECANISMO DE DESINFECCIÓN UV La absorción de la luz UV origina una reacción fotoquímica que altera los compuestos moleculares esenciales en la función celular. Los ácidos nucleicos son los puntos de ataque. Se produce la inactivación del ADN/ARN de los microorganismos.

El poder germicida de la radiación UV es máximo a 264 -265 nm nm.. Las lámparas UV emiten el 90 % a 253,7 nm nm.. La actuación de estas radiaciones sobre dos moléculas contiguas de timina o citosina (pirimidinas) pirimidinas) de una misma cadena de ADN o ARN forma moléculas dobles o dímeros, lo cual impide la duplicación del ADN y ARN de los microorganismos y por tanto su reproducción.

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Podrían ocurrir procesos de foto foto--reactivación a través de alguna enzima que invierte la dimerización. Esto suele ocurrir en condiciones extremas de laboratorio, tales como altas temperaturas y radiaciones prolongadas superiores a 300 nm nm,, que no sería el caso de la desinfección del agua. Para minimizar el posible efecto de fotofoto-reactivacion, reactivacion, es conveniente evitar la exposición inmediata del agua desinfectada a la luz solar.

Factores que inciden en la eficacia de un sistema de UV: MES: encubren microorganismos de las radiaciones Orgánicos solubles: absorben radiación UV. Fe y Mn: producen manchas en la envoltura de cuarzo, Sales de Ca y Mg: incrustaciones en lámparas y cámara T (ºC): produce fluctuaciones en la intensidad UV.

3. 3.-- VENTAJAS Y DESVENTAJAS (+) no emplear productos químicos: no genera subproductos, ni sabores ni olores, (+) coste de inversión y explotación (+) compatible con otros procesos complementarios de desinfección que aporten un residual permanente. (-) carencia de desinfectante residual residual,, en el caso de redes de abastecimiento

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4. 4.-- LÁMPARAS UV DE BAJA PRESIÓN Diseño lineal y delgado: longitud 35 a 163 cm; diámetro 1,2 a 1,9 cm. Temperatura de pared de lámpara de 40 ºC y con un arco eléctrico de 0,3 W/cm. W/cm. Bajo estas condiciones, la presión interna de la lámpara es apenas de 7 × 10-3 torr torr.. Una lámpara de baja presión de 147 cm de longitud produciría 26,7 W de luz UV a 254 nm nm,, si se conecta a una fuente de energía de 75 W (26.7/75 = 0.35 de eficiencia eléctrica).

Cerca del 88 % del rendimiento de emisión se produce a 253,7 nm nm:: excelente germicida.

Fig. Espectro de energía radiante de lámpara de baja presión (Meulemans (Meulemans,, 1987)

Producen pequeñas emisiones entre 185 y 365 nm nm.. Con envoltura de cuarzo de la lámpara se evita la emisión a 185 nm nm,, debido a que produce ozono.

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El agua tiene un efecto de enfriamiento sobre la pared de la lámpara,, por lo que se debe suministrar energía adicional desde el lámpara balasto para compensar esta pérdida de calor.

La vida útil de las lámparas de BPBP-BI varía de 10.000 a 13.000 horas, dependiendo del número de ciclos diarios. horas,

Las lámparas de BPBP-AI son similares a las de BP – BI, con la salvedad de utilizan una mezcla de mercurio – indio en lugar de mercurio sólo, que permite:

mayor salida de intensidad UVUV-C (2 a 4 veces la de una lámpara de BI, mayor estabilidad en amplio rango de temperaturas mayor vida de la lámpara (un 25 % más que las de baja intensidad).

Combina beneficios de las lámparas de baja y de media presión; la emisión de luz germicida prácticamente monocromática procede de las lámparas de baja presión, y los niveles de alta intensidad de las de media presión. Operan en un rango de presiones de 10-2 a 10-3 torr torr,, a una temperatura de 180 – 200 ºC, ºC, con una corriente de 5 A (WEF, 1996).

Los balastos electrónicos sirven para que las lámparas funcionen muy cerca de su temperatura óptima, usan menos energía y son duraderos.

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5. 5.-- LÁMPARAS UV DE MEDIA PRESIÓN (MP) Las lámparas de media presión – alta intensidad en la actualidad tienden a reemplazar a las lámparas de baja presión, sobre todo para grandes caudales de tratamiento. tratamiento. Características: Longitud desde 25 a 70 cm Diámetro entorno a los 2,2 cm Presión de vapor de mercurio: 102 a 104 torr Arco eléctrico relativamente elevado: 48 a 126 W/cm Temperatura de pared de lámpara: 600 a 900 ºC. Rendimiento no afectado por la temperatura del agua. El mercurio está totalmente vaporizado y en diferentes estados de excitación. La transición de mayor a menor nivel de energía se traduce en la liberación de luz a diferentes longitudes de onda.

El espectro de una lámpara de MP consiste en numerosos picos con un continuo por debajo de 245 nm nm..

Son menos eficientes en generar radiación a 253,7 nm y de otras longitudes de onda germicidas (sólo del 27 al 44 % de la energía generada por una lámpara de MP se encuentra en el rango de longitud de onda germicida), pero generan aprox. 50 a 80 veces más rendimiento germicida UV que las de baja presión.. presión

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Este mayor rendimiento es ventajoso en el tratamiento de aguas residuales de baja calidad: calidad: elevada turbidez y con Coliformes asociados a sólidos en suspensión, como es el caso de los reboses de alcantarillados unitarios.

Una lámpara de MP de 25 cm de longitud puede ser diseñada para que produzca 450 W de UVUV-B y UVUV-C, con una energía eléctrica de 2,8 kW (450/2800 = 0.16) (Hernández, 2001).

Aunque las lámparas de BP son eléctricamente más eficaces, las de MP producen una mayor potencia UV por lámpara. lámpara. Por esto, los sistemas UV de media presión utilizan menos lámparas,, ocupan menos espacio y requieren menos lámparas mantenimiento que los de baja presión.

6. 6.-- CONFIGURACIÓN DE LOS SISTEMAS UV Los puntos críticos del diseño de UV son: conseguir flujo flujo--pistón y minimización de las pérdidas de carga. carga. Ambos aspectos se optimizan utilizando lámparas horizontales.

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Los sistemas utilizan lámparas horizontales porque: Hay mayor tiempo de contacto por lámpara. Para una velocidad dada, la pérdida de carga es menor. Proporciona la mayor eficiencia en desinfección ultravioleta, mientras que minimiza el riesgo de circuitos cortos en el reactor.

En cambio utilizan lámparas verticales para facilitar las operaciones de cambio de lámparas. El cambio de las lámparas se convierte en una operación sencilla bajo esta configuración, pero otras actividades se complican bastante. Por ejemplo, para la sustitución de las fundas de cuarzo, el reactor UV debe dejarse fuera de servicio (Loge (Loge et al., 1998).

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6.1.-- Limpieza de las lámparas 6.1. La limpieza de las lámparas horizontales de baja presión se puede realizar de dos formas. Una consiste en extraer el banco ultravioleta entero y depositarlo en una plataforma de lavado con agua y después en un baño ácido agitado con aire. El método convencional para pequeños sistemas UV consiste en un proceso manual, donde los módulos son introducidos a mano en un tanque de limpieza portátil en el que un pequeño compresor agita una 2), desprendiendo las incrustaciones solución de ácido fosfórico (pH = 2), sobre la camisa (Loge (Loge et al., 1998). Los sistemas de baja presión verticales utilizan una periódica

“desincrustación con aire” mientras funciona la unidad, lo cual prolonga el tiempo entre lavados. Durante un lavado los módulos verticales deben extraerse del canal mediante una grúa o monorraíl e introducirse en un baño ácido externo.

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Control (canal UV) Interface

Cable de energía Cable de datos Tanque de

Puente grúa

limpieza Tramex

Guía de montaje

Rail de montaje Compuerta de salida

Plataforma del equipo UV Cable de datos y energía

Sistema de limpieza externo de lámparas en módulos UV verticales (O’Brian (O’Brian,, 1995

Para las lámparas de media presión se hace una limpieza mecánica seguida de un proceso de limpieza química, química, durante el cual el canal es vaciado de agua y llenado con ácido para la limpieza química de las lámparas. Para limpieza manual del material óptico se recomienda la utilización de una gamuza humedecida en alcohol o amoniaco diluido. En el caso de que se hayan formado depósitos calcáreos, se recomienda el uso de ácido cítrico o acético al 6 %. En cualquier caso, no deben utilizarse materias o detergentes abrasivos, ni aceites, ni grasas o similares.

Una limpieza a la vez mecánica y química mediante la utilización de un anillo de limpieza, limpieza, que limpia la lámpara cuando es necesario. Mediante este mecanismo no es necesaria la extracción del módulo fuera del canal para proceder a su limpieza.

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6.2.-- Protección de las lámparas 6.2. La mayoría de los sistemas emplean lámparas UV recubiertas por una funda de cuarzo. Esta funda, compuesta en un 99.99 % de SiO2, posee un bajo coeficiente de expansión térmica y una elevada resistencia al «shock» térmico. El grosor de su pared varía de 1.5 a 2.0 mm, para las fundas de gran diámetro. El cuarzo fundido es uno de los transmisores de luz UV más conocido.

Algunos sistemas UV se caracterizan como «no productores de ozono» añadiendo a las fundas de cuarzo 0.01 a 0.02 % de dióxido de titanio, que previene la formación de ozono generable cuando la longitud de onda de 185 nm se une al oxígeno.

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El cuarzo fundido transmite al agua el 89 % de la energía UV que generan las lámparas a 253.7 nm nm.. Este valor promedio de 89 % de transmitancia UV para las fundas de cuarzo incluye las pérdidas por reflexión de la superficie. En ocasiones, las fundas se vuelven marrones o ligeramente descoloridas debido a la aparente reducción química del SiO2 (Loge et al., 1998). Las lámparas UV están selladas dentro de las camisas de cuarzo por medio de anillos de sellado múltiple, manteniendo así una efectiva barrera hermética alrededor de los circuitos internos, al mismo tiempo que mantienen aislada cada lámpara. Estas camisas están diseñadas para durar prácticamente toda la vida útil del sistema (Hernández, 2001).

7. 7.-- CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS UV Equipos que se proveen por suministradores, de modo que el diseño responde a cada fabricante. No obstante, es conveniente plantear algunas consideraciones básicas que son comunes a todos los sistemas de desinfección disponibles en el mercado. Fundamentos Absorción máxima por ADN celular se produce 250 y 260 nm nm.. Si el tiempo de contacto es suficiente el ADN se romperá fotoquímicamente fotoquímicamente.. Si es escaso, el ADN celular es capaz de reconstituirse, sobre todo en presencia de luz solar. Un reactor UV tiene que ser diseñado de forma que la intensidad UV, la absorbancia del agua y la hidráulica del flujo estén correlacionadas para alcanzar la máxima eficiencia germicida.

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Lámparas En lámparas BP la salida (output) germicida disponible de UV a 253.7 nm está en torno a un 20 a 25 % del valor de entrada Out/In, (input) de la lámpara. Los fabricantes ofertan mejor relación Out/In, como ejemplo: Modelo

Input (W)

Output (W)

Out/In

G36T6L G64T5L

39 65

13.8 25

0.35 0.38

Para diseño, el cálculo de la dosis e intensidad debería basarse en una

salida UV después de 100 horas de operación. Los balastos electrónicos sirven para que las lámparas funcionen cerca de su temperatura óptima (40 ºC en lámparas de BP). Por cada

grado que se aleje de 40 ºC, la salida óptima UV se reducirá entre 1 - 3 %.

Separación entre lámparas: no muy próximas, evitar derroche de energía, las propias lámparas absorberían gran parte de la radiación UV provocando su sobrecalentamiento y reduciendo su poder germicida. Debería garantizar que las lámparas estén separadas de forma que se utilice el 90 % de la energía UV útil de cada una en un reactor de múltiples lámparas.

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Absorbancia de luz por el agua En el diseño se considera clave la separación entre lámparas, la cual depende de la absorbancia de luz UV por el agua. La absorbancia se mide o calcula mediante la ley de BeerBeer-Bouger Bouger-Lambert:: Lambert

I1 = I 0 × 10 − a d I1: intensidad superficial medida a la distancia d, µW/cm2 I0: intensidad superficial de la lámpara, µW/cm2 d : distancia recorrida por la luz, cm a : absorbancia del medio, cm-1 dagua I0

I1

Por ejemplo, los efluentes secundarios tienen una absorbancia menor que 0.2 cm-1 (calidad SS:DBO 20:20). El valor a = 0.2 cm-1 puede usarse para dimensionar los reactores UV considerando que el flujo absorba un 90 % de la energía germicida. Aplicando la ecuación anterior el espesor de la capa de agua en torno a la lámpara seria de 5 cm (ya que I1 = 0.1 I0). dagua I0

I1

En la práctica, los fabricantes y muchos de los expertos recomiendan una distancia entre centros de lámpara de 75 mm. De modo que si el diámetro de la lámpara mas funda de cuarzo es de unos 25 mm, el espesor de agua que queda entre lámparas es de unos 5 cm, es decir 2.5 cm por lámpara que es la mitad de lo calculado anteriormente, que podría entenderse como un factor de seguridad, zonas de solape, etc

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Dosis La dosis es el producto intensidad superficial aplicada por tiempo de contacto:

D = I × TC

La intensidad aplicada en el punto más alejado debería ser igual al 10 % de la intensidad superficial de la lámpara en la cara externa de la funda de cuarzo. Por ejemplo, para el modelo G36T6L con longitud de lámpara de 36 in, diámetro de 0.75 in (≈ (≈ 19 mm) y salida de 13.8 W, la intensidad superficial de salida sería: 2

I0 =

(1 in ) = 25 217 µW 13.8 W 106 µW × × π × 0.75 in × 36 in 1W cm2 (2.54 cm)2

En este caso la intensidad superficial en el punto mas alejado de la aplicación de rayos UV será de 2522 µW/cm2.

La dosis germicida típica para inactivar los microorganismos de efluentes secundarios es de 16000 µW-s/cm2. Para el caso presentado, el tiempo de contacto necesario será:

16 000 µW − s/cm 2 TC = = 6.34 segundos 2522 µW/cm 2 Hay que aplicar factores de corrección o seguridad. Por ejemplo, la longitud efectiva de arco es algo menor que la longitud de la lámpara. Así, el tiempo de contacto teórico se suele multiplicar por 2.

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Hidráulica del reactor Se recomienda que el flujo sea de tipo pistón para conseguir un máximo rendimiento de la desinfección. Un flujo pistón turbulento con mínima dispersión longitudinal asegura que todos los microorganismos recibirán una mínima dosis germicida efectiva. El flujo pistón ideal tiene un coeficiente de dispersión igual a 0, pero esto no se consigue en la realidad. Una dispersión del orden de 100 cm2/s puede garantizar que los microorganismos reciban entre un 90 a 110 % de la dosis germicida. Se recomienda que la velocidad mínima del flujo sea de 0.30 m/s. En estudios a escala piloto se debe emplear el método de distribución del tiempo de retención, por ejemplo midiendo la evolución de un pulso de sal para determinar el tipo de flujo. El volumen de los reactores UV es pequeño ya que el tiempo de retención es generalmente menor que 1 minuto. Algunos autores recomiendan que la pérdida de carga del reactor ronde un máximo de 50 a 60 mm para evitar que la lámina de agua quede muy por encima (disminución de la dosis).

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