LIMITACIONES DEL EFECTO GERMICIDA DE LA RADIACION SOLAR, COMOALTERNATIVA EN LA DESINFECCION DEL AGUA PARA CONSUMO HUMANO.

Por: Domínguez Gil, Rodrigo 1, 2, *

RESUMEN

El presente documento, enseña algunos resultados de los alcances o limitaciones de la desinfeccióndel agua mediante el tratamiento por radiación solar, tecnología de mejoramiento del agua, que seviene implementando para poblaciones alejadas y marginadas del servicio de agua potable enalgunos países de América Latina. Aunque no se duda del efecto germicida de la radiación solar,esta no garantiza que algunas cepas de patógenos resistentes, no puedan recrecer después de algunashoras posteriores a la exposición, demostrándose que este tratamiento, no es 100%microbiológicamente seguro para un agua de consumo humano. En síntesis, diversos estudioscomparativos han demostrado que el efecto de la desinfección solar, efectivamente, es un procesomás térmico que fotoquímico, pudiendo recrecer algunos microorganismos patógenos, después deuna exposición de 4 horas continuas. Se plasmaran resultados comparativos entre la efectividad dela desinfección solar con y sin fotocatalizador TiO2 (Dióxido de Titanio), aplicando una exposiciónsolar mínima de 4 horas.

Palabras clave: Limitaciones, desinfección solar, patógenos, agua consumo humano.

ABSTRACT

The present document, teaches some results of the scope or limitations of the disinfection of waterthrough treatment by solar radiation, enhancement technology of water, which has beenimplementing for populations away and marginalized of the service of drinking water in somecountries of Latin America. Although the germicidal effect of solar radiation is not doubt, this doesnot guarantee that some strains of resistant pathogens cannot re-grow after some hours afterexposure, showing that this treatment is not 100% microbiologically safe for human consumptionwater. In short, comparative studies have shown that the effect of solar disinfection, is indeed aprocess more thermal than photochemical, and can re-grow some pathogenic microorganisms, afteran exposure of 4 hours continuous. Translated comparative results between the effectiveness ofsolar disinfection with and without Photocatalyst TiO2 (titanium dioxide), applying a minimum sunexposure of 4 hours.

Key words: Limitations, solar disinfection, pathogens, water.

________________________________________________________________________1- Ingeniero Sanitario U.V., Estudiante Maestría en Ingeniería Ambiental UNAL-Colombia. (03/12/2012)2- Universidad Nacional de Colombia-Sede Palmira-Valle, Facultad de Ingeniería y Administración.*- Email: sonydominguez60@yahoo.com

1.0 - INTRODUCCION

1.1 ESBOZO LITERAL Y JUSTIFICACION.

En el mundo, cerca de 900 millones de personas no tienen acceso a agua potable, lo cual hagenerado que actualmente el abastecimiento de agua potable sea una prioridad para la mayoría delos países, esto se ve reflejado en los acuerdos a que se llegaron en el año 1992, en la cumbre sobreel Desarrollo Sostenible, en Johannesburgo, Sudáfrica, se acordó como uno de los objetivos deDesarrollo del Milenio, disminuir a la mitad, para el año 2015, el número de personas sin acceso alagua segura. (Rosemberg 2010).

Uno de los métodos utilizado para el mejoramiento de aguas para consumo humano, provenientesde fuentes superficiales en regiones alejadas y soleadas, es la desinfección, mediante la exposicióndirecta a la radiación solar. La tecnología emplea porciones de agua en botellas desechables concapacidad no mayor a 3 litros, en material de plástico transparente a la luz del sol, comercialmenteutilizado por las industrias de refrescos y gaseosas, sin embargo, el efecto germicida de laradiación solar, es limitado, puesto que no garantiza que algunas cepas de patógenos resistentes,responsables de las enfermedades infecciosas gastrointestinales transmisibles por ingestión deagua, eviten recrecer durante el reposo posterior al tratamiento. (IMTA-2010).

La radiación solar, no ofrece un efecto residual en la remisión de la reproducción microbiana. Unagua Microbiológicamente insegura ocasiona problemas económicos y de salud pública, acarreaenfermedades como hepatitis, diarreas, tifoidea, cólera, amibiasis, etc. Las enfermedadesinfecciosas del tracto intestinal son transmitidas a través de excretas de humanos y animales desangre caliente. En México, la carencia de sistemas de conducción y tratamiento de aguasresiduales, se acentúa en zonas indígenas y rurales. Cada año mueren casi 3 millones de sereshumanos, en su mayoría niños, por enfermedades asociadas a las diarreas (OMS- 2007).

En Colombia son escasos los estudios encaminados a precisar los alcances o limitaciones delpotencial germicida de la desinfección solar del agua para consumo humano, y dichos estudios sonrelevantes, porque, de manera similar, nuestro país, ocupa un lugar no muy privilegiado con altoporcentaje de población sin acceso a fuentes mejoradas de agua potable en el mundo. (EstadísticasSanitarias Mundiales - OMS-2012).

La alternativa de desinfección por el método de radiación solar, tiende a ser microbiológicamenteinseguro, dado que su eficacia, basada en la sinergia de dos efectos: luz radiante y temperaturaalcanzada, para eliminar los gérmenes, depende de factores climáticos y de la turbiedad del aguaprevia al tratamiento, por lo cual, no se puede garantizar en algunas regiones alejadas, laexposición continua al sol durante 6 horas y una turbiedad menor a 30 UNT.

La desinfección solar no garantiza que algunas cepas de patógenos resistentes, solo sufran unefecto bacteriostático, pudiendo recrecer durante el reposo posterior al tratamiento.

A pesar de estar demostrado que la radiación solar tiene sus efectos germicidas en la desinfeccióndel agua para consumo humano, no ofrece un efecto residual en la remisión de la reproducciónmicrobiana.

Gran parte de la radiación solar es absorbida por la capa de ozono, aminorando el potencial de suefecto germicida, sobre algunos microorganismos patógenos resistentes, que depende estrictamentede su espectro letal específico. El proceso de desinfección solar es más térmico que fotoquímico.Pero lo cierto es que la porción realmente bactericida del componente ultravioleta, que correspondeal rango del UV-C (100-280 nm), es la que menos está presente en la radiación solar y aunsuponiendo que fuera suficiente para tener algún poder de desinfección, se ha comprobadocientíficamente que la mayoría de los materiales, incluso los transparentes a la luz solar, como elvidrio y el plástico, son casi totalmente opacos a la radiación ultravioleta. Decididamente, ladesinfección solar no opera bajo el pretendido mecanismo de la fotoquímica. El funcionamiento dela desinfección solar depende básicamente de la temperatura. (CEPIS 2002-Solsona-Mendez).

Por lo anterior, es relevante, la edición del presente documento de revisión, encaminado a plasmarresultados comparativos entre el tratamiento del agua para consumo humano mediante desinfecciónsolar interactuando con el fotocatalizador TiO2 (Dióxido de Titanio) y sin la ayuda delfotocatalizador, observándose los resultados de aquellos microorganismos patógenos sobrevivientesal tratamiento y la efectividad del tratamiento con la interacción del fotocatalizador, demostrándoselas limitaciones o alcances del tratamiento.

1.2 RESEÑA HISTORICA Y ANTECEDENTES.

Se han publicado perspectivas históricas de la desinfección UV en varios artículos (Groocock,1984; Schenck, 1981; USEPA, 1996). En 1878, Downs y Blunt reportaron por primera vez losefectos germicidas de la energía radiante del sol.

Los primeros intentos experimentales para usar UV como desinfectante del agua se llevaron a caboen Marsella, Francia, en 1910. Entre 1916 y 1926, se usó UV en los Estados Unidos para ladesinfección del agua y para proveer agua potable en los barcos. Sin embargo, el bajo costo de ladesinfección del agua con cloro, además de los problemas operativos y de confiabilidad observadosen los primeros equipos de desinfección UV retardó el crecimiento de las aplicaciones de UV hastala década de los 50. (H. B. Wright y W. L. Cairns).

(En 1984), El profesor Aftim Acra de la Universidad Americana en Beirut (Líbano) descubrió que,al exponer agua al sol, el número de microorganismos disminuye. Eso era el inicio del desarrollo dela desinfección del agua por el sol.

(En los años 90s) El Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología Acuática (EAWAG), mediantesu Departamento de Agua y Saneamiento para los Países en Desarrollo (SANDEC), en colaboracióncon el Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (CASA) de la Universidad Mayor San Simón deCochabamba - Bolivia, implementaron proyectos demostrativos de la tecnología SODIS (SolarDesinfection), en varias comunidades de Bolivia, para valorar el grado de aceptación de la mismapor las familias.

(CEPIS 2002-Solsona-Mendez). A pesar de lo interesante del método y de sus escasosrequerimientos, la desinfección solar no ha alcanzado popularidad extendida. La razón es que haydemasiadas variables que condicionan su eficiencia y la eventual seguridad del agua tratada. Lalatitud y la altitud geográfica, la estación, el número de horas de exposición, la hora, las nubes, latemperatura; el tipo, el volumen y el material de los envases que contienen el agua; la turbiedad deagua y el color; son, entre otros, los parámetros que podrían interferir en una desinfección perfecta.

(IMTA-2010).Experimentando con fotocatalizadores versus la desinfección solar, concluyen que elaprovechamiento de la energía solar en el proceso de desinfección, se potencializa con la aplicacióndel dióxido de titanio (TiO2). El tratamiento con TiO2 supera al tratamiento con desinfección solaren su capacidad de inactivación de coliformes, ya que no se observa recrecimiento.

(IMTA-2010).En las condiciones probadas, las películas de TiO2, han sido eficientes para ladesinfección de agua han permitido la eliminación de coliformes fecales, totales y Pseudomonasaeruginosa. Los coliformes pueden ser inactivados en menos de una hora. La inactivación dePseudomonas requiere mayores tiempos de exposición (2.5 horas).Se ha logrado la pérdida total deviabilidad de huevos de helminto.

2.0 - MARCO TEORICO

2.1 LA DESINFECCION SOLAR DEL AGUA:

Esta alternativa, es un método natural, aplicado para desinfectar el agua usando sólo luz del sol ybotellas plásticas desechables transparentes de uso comercial. La desinfección solar, es un métodobarato y eficaz, por lo general aplicado en uso doméstico y es recomendado por la OrganizaciónMundial de la Salud como un método viable para tratamiento de agua de casa y almacenamientoseguro. El tratamiento de desinfección solar, (SODIS), se aplica ya en numerosos países en vías dedesarrollo en américa latina.

2.2 PRINCIPIO ACTIVO DE LA DESINFECCION SOLAR DEL AGUA:

La radiación solar, se conforma por varias franjas o tipos de radiación: ultravioleta (UV) visible eInfrarroja. La capacidad germicida de la radiación solar se ha relacionado con fracción ultravioletade esta. Por su parte, la fracción infrarroja contribuye notablemente a incrementar la temperatura delagua, por ello, coadyuva induciendo condiciones adversas para los microorganismos que pudieranestar presentes en el agua. (Fig. 1)

Imagen de H. B. Wright y W. L. Cairns.

Fig. (1) Espectro Electromagnético Radiación UV.

Si bien el sol es una fuente de luz ultravioleta, la absorción de la radiación de onda corta por partede la capa de ozono de la tierra impide que cantidades significativas de UVB y UVC (NASA, 1972)alcancen la superficie de la tierra. (H. B. Wright y W. L. Cairns)

Los rayos UV-A, interfieren directamente con el metabolismo y destruye estructuras de célula debacteriana.

Los rayos UV-A, (longitud de onda 320-400 nm) reaccionan con el oxígeno disuelto en el agua ygenerando formas muy reactivas de oxígeno (oxígeno que liberan a radicales y aguas oxigenadas,en especial el oxígeno singlete), que destruyen también patógenos.

La radiación infrarroja calienta el agua.

El método de desinfección es sencillo, consiste en poner en contacto botellas de plásticodesechables de uso comercial, con agua contaminada, de tal manera que la radiación solar UV actúesobre los microorganismos presentes, bajo las condiciones arriba expuestas, con el consecuenteefecto germicida.

2.3 LA CINETICA DE LA INACTIVACION Y EL CONCEPTO DE DOSIS UV.

A menudo se dice que la cinética de inactivación microbiana por radiación UV sigue la ley deChick (Ecuación (1)).

N= N0 e-kit(1)

Dónde:N0: es la concentración inicial de microbios previa a la aplicación de UV,N: es el número de microbios que restan después de la exposición a la luz UV,i: es la intensidad UV,t: es el tiempo de exposiciónK: es la constante del ritmo de inactivación microbiana.

La dosis UV se define como el producto de la intensidad UV por el tiempo. La figura (2), brindauna representación gráfica de la ley de Chick, que muestra la inactivación como una función de ladosis UV aplicada. Una interpretación útil de la ley de Chick es que por cada incremento de 2,30/ken la dosis de UV se produce una reducción igual a una orden de magnitud en la poblaciónmicrobiana.

Fig. (2) Imagen de H. B. Wright y W. L. Cairns.

2.4 TIPOS DE MICROORGANISMOS A ELIMINAR EN EL AGUA PARA CONSUMO HUMANO.

Tres principales tipos de microorganismos deben preocuparnos: Bacterias, virus y protozoos.Las bacterias patógenas ligadas al agua son clasificadas como entero-bacterias. Ver cuadro (1)

ENTERO-BACTERIAS

Echerichia Coli u otros Coliformes ( algunas diarreas )Salmonella typhosa ( fiebre tifoidea )Vibrio Cholerae ( cólera )Salmonella sp. ( paratíficas, diarreas )Shigella sp. ( disentería bacilar)

VIRUS

PoliomielitisHepatitis infecciosaEchovirusCoxsackie virusAdeno virus

PROTOZOOS Y OTROS

Entamoeba histolytica ( disentería amebiana )Microbacterium tuberculosisSchistosoma sp.Leptospira icterohemoshLeishmania .Huevos de gusanos

CUADRO N° 1(MICROORGANISMOS PATOGENOS A ELIMINAR).

2.5 ESTUDIO EXPERIMENTAL RECIENTE.

El Instituto Mejicano de la Tecnología del Agua (IMTA- 2010), recientemente ha realizado unestudio de experimentación, comparando la eficiencia de la tecnología de desinfección del agua porradiación solar, con ayuda del fotocatalizador TiO2 (Dióxido de Titanio) y la desinfección porradiación solar simple, con los resultados y conclusiones que se describen más adelante.

2.5.1 EFECTO DEL FOTOCATALIZADOR:

Se trata de un proceso promovido por energía ultravioleta, que al actuar sobre un semiconductor(TiO2), por fotocatálisis heterogénea, desarrolla reacciones de óxido-reducción, que modifican lasespecies a su alrededor. El blanco de acción son especies inorgánicas y orgánicas. Esto permite suacción sobre microorganismos patógenos en el agua, eliminándolos al 100%, optimizando elproceso por radiación solar simple. (Fig. (5).

Fig. (3).Efecto Fotocatalizador (Imagen de IMTA-2010)

2.6 MATERIALES Y METODOS (Imágenes de IMTA-2010).

El TiO2se fijó sobre anillos de vidrio Pírex para facilitar su uso.•Depósito por inmersión en un sistema sol-gel usando isopropóxido de titanio como precursor•Sinterizado a 500°C (anatasa).•Enjuague exhaustivo con agua

Fig. (4). Fijación del Fotocatalizador (Imagen de IMTA-2010)

2.6.1 Fig. (5) MUESTRA TIPICA DE AGUA SUPERFICIAL CRISTALINA (Imagen de IMTA- 2010)

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2.6.2 Fig. (6) SISTEMA DE DESINFECCION: MUESTRAS A DESINFECTAR. (Imagen de IMTA)Muestra de 2 botellas plásticas para exposición a la radiación solar:

Botella 1: Desinfección solar simpleBotella 2: Desinfección solar + TiO2

2.6.3 INDICADORES MICROBIOLOGICOS.

Indican el estado microbiológico del agua.-Entre los más representativos para indicar contaminación fecal se encuentra el grupo de coliformes,además parásitos como Giardia y Entamoeba.-También se usaron huevos de helminto, aislados de una descarga de agua residual.

2.6.3 Fig. (7) PREPARACION DE LA MUESTRA. Fig. (6)

2.6.4 Fig. (8) - MUESTRAS DE AGUA CONTAMINADAS SOMETIDAS A LOS TRATAMIENTOS:Desinfeccion solar simple y Desinfeccion solar + Fotocatalizador TiO2. (IMTA.

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2.6.5. (Fig. (9) - CUANTIFICACION DE HUEVOS DE HELMINTO EN LABORATORIO.

3.0 RESULTADOS:

3.1 Fig. (10) CURVAS COLIFORMES TOTALES. (Imagen IMTA-2010).

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3.2 Fig. (11) CURVAS COLIFORMES FECALES. Fig. (10) (Imagen IMTA-2010).

3.3 Fig. (12) CURVAS DE RECRECIMIENTO EN COLIFORMES TOTALES Y FECALES.

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3.3 Fig. (13) VIABILIDAD DE HUEVOS DE HELMINTO POSTERIOR A UN TRATAMIENTO DE6 HORAS POR DESINFECCION SOLAR SIMPLE(SODIS) Y SODIS + FOTOCATALIZADOR

4.0 CONCLUSIONES

4.1 – El tratamiento del agua para consumo humano por desinfeccion solar simple solo eliminaparcialmente los coliformes, es decir, no elimina los coliformes totales, resultando una remanenciadel 15% en supervivencia de los mismos, al cabo de 1 hora de exposicion solar.

4.2- Se observa que los coliformes fecales y coliformes totales, pueden recrecer despues de dosdias del tratamiento por desinfeccion solar, tornandose inseguro, por que igual pueden recrecerdespues de la ingesta en nuestro cuerpo, pudiendo engendrar enfermedad.

4.3- El tratamiento por desinfeccion solar simple + el catalizador TiO2, elimina el total de losmicroorganismos, resultando una remanencia del 0.0%, despues de 30 minutos de exposicion solar.

4.4 - Se observo inviabilidad del 100% en huevos de helminto con tratamiento por desinfeccionsolar + Fotocatalizador solar, mientras que por desinfeccion solar simple un 10% de viabilidad.

4.5 - La desinfeccion solar + el catalizador TiO2, seria el tratamiento ideal puesto que asi seeliminan el 100% de los coliformes totales y el 100% de huevos de helminto.

4.6 – Dependiendo de la naturaleza originaria de una fuente superficial se concluye que eltratamiento por desinfeccion solar simple, puede ser o no un tratamiento microbiologicamenteseguro.

4.7 – Se recomienda adelantar otros estudios encaminados a identificar otros microorganismospatogenos altamente resistentes, que pudieran sobrevivir al tratamiento ideal aquí mencionado.

5.0 REFERENCIAS

- BLANCO J., MALATO S.; (2002) “Solar Detoxification”; US, John Wiley and Sons,UNESCO.

- CORTÉS J., ET AL.; (2000) “Radiación solar para desinfectar agua en comunidades rurales”;Informe final, proyecto.

- CEPIS- OPS/OMS-2002, Solsona-Mendez.

- MTA/CNA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 59 pp.

- MARTÍN A., ET AL.; (1999) “Desinfección del agua por radiación solar”; Informe final,proyecto IMTA/CNA,

- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA- 51 pp.

- MARTÍN A., ET AL.; (2000) “Viabilidad técnico social de la desinfección solar”; Informefinal, proyecto IMTA/CNA,

- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, (IMTA-7 capítulos).

- WEGELIN, M.; (1999) “Solar Water Disinfection. A water treatment process used at householdlevel”; Swiss Federal.

- Institute for Environmental Science and Technology, Department of Water and Sanitation inDeveloping Countries (EAWAG/SANDEC).

- H. B. Wright y W. L. Cairns Trojan Technologies Inc.3020 Gore Road, London, Ontario, Canada N5V 4T

- Wegelin, M.; Canonic, S.; Mechsner, K.; Fleischmann, T.; Pesaro, F.; Metzler, A. Solar waterdisinfection: scope of the process and analysis of radiation experiments. J Water SRT-AquaVol 43, No. 3, pp. 154-169 (1994).

- Wegelin, M.; Sommer, B. Solar water disinfection (SODIS), destined for worldwide use?Revista “Waterlines” Vol 16, No. 3 (1998) Rice, E.W., Scarpino, P.V., Reasoner, D.J.,Logsdon, G.S. and Wild, D.K.

- Correlation of coliform growth response with other water quality parameters. Journal AWWA,July, 1991: 98-102.

- EAWAG/SANDEC, SODIS bulletins. Boletines de la sección Agua y Saneamiento del InstitutoFederal Suizo para el Medio Ambiente, la Ciencia y la Tecnología. (1997).

- Márquez Bravo, L. Desinfección solar. Trabajo presentado en el Simposio CEPIS sobre“Calidad del agua, desinfección efectiva”. Disponible en el sitio web del CEPIS y en CD-ROM(1998).

- Solsona, F. Water disinfection for small community supplies. Capítulo sobre desinfección delagua para el manual de la IRC “Small Community Supplies” y disponible como separata en laOPS/CEPIS. (2001).

- Estadísticas Sanitarias Mundiales. OMS-2012

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Buga, 03 December 2012.