vvEFA United States Environmental Protection Agency Office of Water Washington, D.C. EPA832-F-99-064 Septiembrede1999 Folleto informativo de tecnologia de aguas residuales Desinfeccion con luz ultraviolets Vibrio cholerae Colera DESCRIPCION La desinfeccion es considerada como el principal mecanismo para la desactivacion o destruction de organismos patogenos con el fin de prevenir la dispersion de enfermedades transmitidas a traves del agua, tanto a los usuarios aguas abajo como al ambiente. Es muy importante que el agua residual sea tratada adecuadamente antes de realizarse las actividades de desinfeccion para que la action de cualquier desinfectante sea eficaz. Algunos de los microorganismos encontrados comunmente en aguas residuales domesticas y las enfermedades asociadas a ellos se presentan en la Tabla 1. TABLA 1 AGENTES INFECCIOSOS POTENCIALMENTE PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS NO TRATADAS Organismo Enfermedad Causada Organismo Enfermedad Causada Bacterias Escherichia coli (enterotoxigeno) Leptospira (spp.) Salmonella typhi Salmonella (2,100 serotipos) Shigella (4 spp.) Gastroenteritis Leptospirosis Fiebre tifoidea Salmonelosis Shigellosis (disenteria bacilar) Protozoos Balantidium coli Cryptosporidium parvum Entamoeba histolytica Giardia lamblia Helmintos Ascaris lumbricoides T. solium Trichuris trichiura Virus Virus entericos (72 tipos; porejemplo: virus echo y coxsackie del polio) Hepatitis A Agente de Norwalk Rotavirus Balantidiasis Cryptosporidiasis Amebiasis (disenteria amoebica) Giardiasis Ascariasis Teniasis Tricuriasis Gastroenteritis, anomalfas del corazon y meningitis. Hepatitis de tipo infeccioso Gastroenteritis Gastroenteritis Fuente: Tabla adaptada de Crites and Tchobanoglous, 1998 El sistema de desinfeccion con luz ultravioleta (UV) transfiere energia electromagnetica desde una lampara de vapor de mercuric al material genetico del organismo (ADN o ARN). Cuando la radiation UV penetra en las paredes de la celula de un organismo, esta destruye la habilidad de reproduction de la celula. La ------- radiation UV, generada por una descarga electrica a traves de vapor de mercuric, penetra al material genetico de los microorganismos y retarda su habilidad de reproduction. La eficacia del sistema de desinfeccion con luz ultravioleta depende de las caracteristicas del agua residual, la intensidad de la radiation, el tiempo de exposition de los microorganismos a la radiation y la configuration del reactor. Para cualquier planta de tratamiento, el exito de las actividades de desinfeccion esta directamente relacionado con la concentration de componentes coloidales y de particulas en el agua residual. Los componentes principales del sistema de desinfeccion con luz UV son las lamparas de vapor de mercuric, el reactor y los balastros electronicos (ballasts). La fuente de luz UV son las lamparas de arco de mercurio de baja o mediana presion, bien sea de intensidad baja o alta. La longitud de onda optima para desactivar eficazmente los microorganismos se encuentra en el rango de 250 a 270 nm. La intensidad de la radicacion emitida por la lampara se disipa a medida que la distancia de la lampara aumenta. Las lamparas de baja presion emiten basicamente luz monocromatica a una longitud de onda de 253.7 nm. Las longitudes estandar de las lamparas de baja presion son de 0.75 y 1.5 metros, y sus diametros van de 1.5 a 2.0 cm. La temperatura ideal de la pared de la lampara se encuentra entre 95 y 122 °F. Las lamparas de mediana presion son generalmente utilizadas en instalaciones de mayor tamafio. Estas lamparas de luz UV tienen una intensidad germicida aproximadamente 15 a 20 veces mayor que las lamparas de baja presion. La lampara de mediana presion desinfecta mas rapido y tiene mas capacidad de penetration debido a su mayor intensidad. Sin embargo, estas lamparas operan a temperaturas mas altas con un mayor consumo de energia electrica. Existen dos tipos de configuraciones de reactor para el sistema de desinfeccion con luz UV: de contacto, y sin contacto. En ambos casos, el agua residual puede fluir en forma perpendicular o paralela a las lamparas. En el caso del reactor de contacto, la serie de lamparas de mercurio esta recubierta con mangas de cuarzo para minimizar los efectos de enfriamiento del agua residual. La Figura 1 muestra dos reactores de contacto de luz UV, uno con lamparas sumergidas ubicadas en forma paralela a la direction del flujo del agua residual, y el segundo con lamparas perpendiculares. Compuertas de bisagra o vertederos son utilizados para controlar el nivel del agua residual. En el caso del reactor sin contacto, las lamparas de luz UV se encuentran suspendidas afuera de un conducto transparente que transporta el agua residual que va a ser desinfectada. Esta configuration no es tan comun como la configuration del reactor de contacto. En ambos tipos de reactores, el balastro -o caja de control- proporciona el voltaje de inicio para las lamparas y mantiene una corriente continua. MODULO DELAMPARA HORIZONTAL DEJ.UZ US CON REJAS DE SOPORTE CONTROL AUTOMATICO DE NIVEL FLUJO BATERiA 2 DE LUZ UV COMPUERTAS DE BISAGRA PARA CONTROL DEL NIVEL NOTA: UNA BATERiA DE LUZ UV ESTA COMPUESTA DE VARIOS FLUJO MODULOS UV MODULQ DE LAMPARA VERTICAL DE LUZ UV CON REJADE SOPORTE Fuente: Crites and Tchobanoglous, 1998. (a) adaptado de Trojan Technologies, Inc. (b) adaptado de Infilco Degremont, Inc. ------- Figura 1 Pianos Isometricos de los Sistemas Tipicos de Desinfeccion con luzUV VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas: • La desinfeccion con luz UV es eficaz para la desactivacion de la mayoria de los viruses, esporas y quisles. • La desinfeccion con luz UV es mas un proceso fisico que una desinfeccion quimica, lo cual elimina la necesidad de generar, manejar, transportar, o almacenar productos quimicos toxicos, peligrosos o corrosivos. • No existe ningun efecto residual que pueda afectar a los seres humanos o cualquier organismo acuatico. • La desinfeccion con luz UV es de uso facil para los operadores. • La desinfeccion con luz UV tiene un periodo de contacto mas corto en comparacion con otros desinfectantes (aproximadamente de 20 a 30 segundos con la utilization de las lamparas de baja presion). • El equipo de desinfeccion con luz UV requiere menos espacio que otros metodos. Desventajas: • La baja dosificacion puede no desactivar efectivamente algunos viruses, esporas y quisles. • Algunas veces los organismos pueden reparar o invertir los efectos destructives de la radiacion UV mediante un "mecanismo de reparacion", tambien conocido como foto- reactivacion o, en ausencia de radiacion, como "reparacion en oscuro". Un programa de mantenimiento preventive es necesario para controlar la acumulacion de solidos en la parte externa de los tubos de luz. La turbidez y los solidos suspendidos totales (SST) en el agua residual hacen que la desinfeccion con luz UV sea ineficaz. El uso de la desinfeccion con lamparas UV de baja presion no es tan efectivo en el caso de efluentes secundarios con niveles de SST may ores a 30 mg/L. La desinfeccion con luz UV no es tan economica como la desinfeccion con cloro, pero los costos son competitivos cuando la deration requiere descloracion y se cumple con los codigos de prevention de incendios. APLICABILIDAD Cuando se selecciona un sistema de desinfeccion con luz UV, existen tres areas criticas que deben considerarse. La primera la determina principalmente el fabricante; la segunda, el disefio y las actividades de operation y mantenimiento; y la tercera debe ser controlada en la instalacion de tratamiento. El seleccionar un sistema de desinfeccion con luz UV depende de los tres factores criticos que se enumeran a continuation: Propiedades hidraulicas del reactor: De preferencia, un sistema de desinfeccion con luz UV debe tener un flujo uniforme con un movimiento axial suficiente (mezcla radial) para lograr una maxima exposition a la radiacion UV. La trayectoria que un ------- organismo toma en el reactor determina la cantidad de radiation a la cual es expuesto antes de la desactivacion. Un reactor se debe disefiar para eliminar el flujo en cortocircuito y/o las zonas estancadas o estaticas que pueden dar lugar al uso ineficaz de la energia y la reduction del tiempo de contacto. Intensidad de la radiation UV: Los factores que afectan la intensidad son la edad de las lamparas, la formation de depositos en las lamparas, y la configuration y la ubicacion de las lamparas en el reactor. Caracteristicas del agua residual: Estas incluyen el caudal, los solidos suspendidos y coloidales, la densidad bacteriana initial, y otros parametros fisicos y quimicos. La concentration de SST y la de microorganismos asociados con las particulas determinan la cantidad de radiation UV que en ultima instancia llega al organismo a ser desactivado. Mientras mas altas sean estas concentraciones, menor es la radiation UV que es absorbida por los organismos. Las diversas caracteristicas del agua residual y sus efectos sobre la desinfeccion con luz UV se detallan en la Tabla 2. La desinfeccion con luz UV puede ser utilizada en plantas de diversos tamafios que cuenten con niveles de tratamiento secundario o avanzado. DESEMPENO Planta de tratamiento de aguas residuales de Gold Bar en Edmont, Alberta, Canada Para la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de Gold Bar en Edmont, Alberta se hizo necesario el uso de un sistema de desinfeccion para cumplir con las normas de calidad de agua de la Provincia de Alberta para el contacto recreational. En ese periodo los caudales de disefio promedio y maximo de esta instalacion de tratamiento eran de 82 y 110 millones de galones por dia (MOD), respectivamente. Se llevo a cabo un estudio piloto para revisar los sistemas existentes de desinfeccion con luz UV, la efectividad de la intensidad de las lamparas y los costos. Se determine que la desinfeccion con luz UV era el sistema mas efectivo para lograr los niveles de tratamiento requeridos. La acumulacion de solidos en la parte externa de las lamparas es un problema potential en los TABLA 2 CARACTERlSTICAS DEL AGUA RESIDUAL QUE AFECTAN EL DESEMPENO DE LA DESINFECCION CON LUZ UV Caracteristicas del agua residual Efectos en la desinfeccion con luz UV Amoniaco Nitrites Nitrates Demanda bioquimica de oxigeno (DBO) Dureza De presentarse, son efectos menores. De presentarse, son efectos menores. De presentarse, son efectos menores. De presentarse, son efectos menores. Sin embargo, si una gran parte del DBO es un compuesto humico y/o no saturado (o conjugado), entonces la transmision de radiacion UV podria verse reducida. Afecta la solubilidad de los metales que pueden absorber la radiacion ultravioleta. Puede generar la precipitacion de carbonates sobre los tubos del cuarzo. Materiales Alta absorbancia de la ------- humicos, hierro PH SST radiacion UV. Afecta la solubilidad de los metales y los carbonates. Absorbe la radiacion UV y protege a las bacterias incorporadas en los solidos. sistemas UV, pero con una limpieza adecuada y actividades apropiadas de operation y mantenimiento, esto no debe ser causa de ninguna interruption de la capacidad de desinfeccion del sistema. La limpieza de las lamparas en la PTAR de Gold Bar fue realizada mediante un aditamento mecanico de limpieza incorporado a cada grupo de lamparas. Se limpiaban las lamparas de forma rutinaria utilizando un sistema de limpieza dentro de los canales. Los problemas potentiates de seguridad industrial de los sistemas UV en lo referente a la exposition a la radiacion UV y peligros de electrocution, tanto para sistemas de baja presion como los de alta intensidad, son minimos en condiciones normales de operation. Sin embargo, se deben tomar medidas preventivas cuando se operan lamparas de alta intensidad para evitar una sobre exposition. El riesgo no fue considerado significativo por la agenda operadora de la PTAR de Gold Bar, y se considero de mayor importancia el ahorro potential de costos obtenido al utilizar los sistemas UV de alta intensidad. En la PTAR de Gold Bar se determine que un sistema de presion mediana con alta intensidad era mas economico que los sistemas convencionales de baja presion en cuanto a los costos de inversion y los costos del ciclo de vida util. dramaticamente en los ultimos afios debido al impacto en las aguas receptoras que tienen las substancias organocloradas de los efluentes de aguas residuales. Este fue el caso de la PTAR operada por la NBCUA y localizada en Waldwick, New Jersey. En 1989, la PTAR tuvo que hacer el cambio de una instalacion de deration a una con tecnologia de desinfeccion alternativa con cero residue despues del tratamiento. Este cambio fue requerido cuando la norma de "cero residues" fue impuesta por el Departamento de Protection Ambiental de New Jersey como resultado de la expedition del Acta de Prevention de Catastrofes Toxicas. Diversos factores, como la seguridad publica y los descubrimientos recientes y preocupaciones referentes al impacto ambiental por la descarga y derrame de substancias quimicas, han dado como resultado que los requisites en los permisos para las actividades de deration fueran mas estrictos. Ademas, existian otras condiciones que la PTAR tenia que cumplir si se decidia a continuar con el uso del cloro. Para evitar los incrementos de costo en los que se hubiera incurrido, y para cumplir con las nuevas regulaciones, la PTAR hizo el cambio a la desinfeccion con luz UV. El sistema UV fue instalado dentro de los tanques existentes de contacto con el cloro, lo cual se hizo en combination con la extension del edificio existente para facilitar el mantenimiento durante eventos de mal tiempo. El sistema de luz ultravioleta en la PTAR de la NBCUA, desde su instalacion en agosto de 1989, conto con una mejor capacidad para cumplir con los niveles de coliformes fecales (200 organismos por 100 ml) que con la cloration. Planta de tratamiento de aguas residuales de Northwest Bergen County Utility Authority (NBCUA) en Waldwick, New Jersey El uso de desinfeccion con luz UV para el tratamiento de aguas residuales ha aumentado OPERACION Y MANTENIMIENTO Las actividades apropiadas de operation y mantenimiento de un sistema de desinfeccion con luz UV aseguran que suficiente radiacion sea transmitida a los organismos para volverlos ------- esteriles. Todas las superficies entre la radiation UV y los organismos a ser desactivados deben estar limpios, y los balastros, las lamparas y el reactor deben estar funcionando con una eficiencia maxima. La limpieza inadecuada es una de las causas mas comunes de la ineficiencia de los sistemas de desinfeccion con luz UV. Las mangas de cuarzo o los tubos de Teflon requieren ser limpiados regularmente mediante limpiadores mecanicos, de ultrasonido, o quimicos. La frecuencia de limpieza es individual y muy especifica para cada caso, ya que algunos sistemas necesitan ser limpiados mas frecuentemente que otros. La limpieza quimica se realiza comunmente con acido citrico. Otros agentes de limpieza incluyen soluciones de vinagre y el hidrosulfito de sodio. Una combination de agentes de limpieza debe ser probada para encontrar el agente mas conveniente y que mas se ajuste a las caracteristicas del agua residual sin producir productos peligrosos o toxicos. Los sistemas con reactor sin contacto se limpian con mayor eficacia por medio del hidrosulfito de sodio. Cualquier sistema de desinfeccion con luz UV debe ser evaluado en un estudio piloto antes de ser operado a mayor escala para asegurar que la instalacion cumplira con los requisites del permiso de descarga en una localidad en particular. La vida promedio util de las lamparas fluctua entre 8,760 a 14,000 horas de funcionamiento, y generalmente las lamparas se reemplazan despues de 12,000 horas de uso. Procedimientos operacionales deben ser establecidos de tal modo que reduzcan los ciclos de encendido y apagado de las lamparas puesto que su eficacia se reduce con la repetition de los ciclos. El balastro debe ser compatible con las lamparas y se debe ventilar para protegerlo del calor excesivo, lo cual pude reducir su vida util u ocasionar incendios. Aunque el ciclo de vida de los balastros es de aproximadamente 10 a 15 afios, normalmente los balastros se reemplazan cada 10 afios. Las mangas de cuarzo duran aproximadamente de 5 a 8 afios pero se substituyen generalmente cada 5 afios. COSTO El costo de los sistemas de desinfeccion con luz UV depende del fabricante, de la ubicacion de la planta y su capacidad, y de las caracteristicas del agua residual a ser desinfectada. Los costos totales de desinfeccion con luz UV pueden ser competitivos respecto a la desinfeccion con cloro cuando esta incluye el costo del procedimiento de descloracion. Los costos operacionales anuales para la desinfeccion con luz UV incluyen el consumo de energia; los productos quimicos y de limpieza; las reparaciones de equipos miscelaneos (2.5% de costo total del equipo); el reemplazo de lamparas, de balastros y de mangas; y los requerimientos del personal. Los costos han disminuido en los ultimos afios debido a las mejoras del disefio de las lamparas y de los sistemas, la competencia creciente, y las mejoras en la confiabilidad de los sistemas. TABLA 3A COSTOS DE LAS LAMPARAS DE LOS SISTEMAS DE DESINFECCION CON LUZ UV Componente Lamparas UV 1 -5MGD 5-10MGD 19-100MGD Costo de construction de las instalaciones fisicas Rango (dolares)* ($/lampara) 397-1,365 343 - 594 274 - 588 (% del costo de lamparas UV) 75 - 200 Tipico (dolares)* ($/lampara) 575 475 400 (% del costo de lamparas UV) 150 ------- * Los costos estan basados en la publicacion de Engineering News Record de 1993, con un fndice costo de construccion de 5210. Fuente: Adaptado de Darby et al. (1995) con autorizacion de la Water Environment Research Foundation. Las lamparas de presion mediana cuestan 4 a 5 veces mas que las de baja presion. Sin embargo, el numero mas reducido de lamparas necesarias para una desinfeccion adecuada podria hacer las que lamparas de presion mediana sean mas economicas. La Tabla 3A resume los costos de algunas de las lamparas utilizadas en la desinfeccion con luz UV. Esta information fue obtenida de un estudio realizado por la asociacion Water Environment Research Federation en 1995 para efluentes secundarios de instalaciones de desinfeccion con un caudal promedio de periodos de tiempo seco de 1, 10 y 100 MOD (2.25, 20 y 175 MOD de caudal maximo en periodos de lluvia, respectivamente). La Tabla 3B describe los costos tipicos de inversion de capital y los de operation y mantenimiento que estan asociados con la desinfeccion con luz UV. TABLA 3B COSTOS DE INVERSION Y DE OPERACION Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE DESINFECCION CON LUZ UV Componente Costo del Sistema UV ($) Costo de inversion de capital Equipos Modificaciones estructurales Electricos Miscelaneos 120,000 64,000 20,000 40,000 Total 244,000 Costos anuales de operacion y mantenimiento Energia electrica 3300 Lamparas y 2840 quimicos Limpieza Mantenimiento Control del procesos Pruebas 1180 1440 6240 4160 Total 19,190 Fuente: Hanzon and Villa, 1999 REFERENCIAS 1. Crites, R. and G. Tchobanoglous. 1998. Small and Decentralized Wastewater Management Systems. The McGraw-Hill Companies. New York, New York. 2. Darby, J.; M. Heath; J. Jacangelo; F. Loge; P. Swaim; and G. Tchobanoglous. 1995. Comparison of UV Irradiation to Chlorination: Guidance for Achieving Optimal UV Performance. Water Environment Research Foundation. Alexandria, Virginia. 3. Eddington, G. June 1993. Plant Meets Stringent Residual Chlorine Limit. Water Environment & Technology. P. 11-12. 4. Fahey, R. J. Dec. 1990. The UV Effect on Wastewater. Water Engineering & Management, vol. 137. no. 12. pp. 15-18. 5. Hanzon, B.D. and Vigilia, R. 1999. UV Disinfection. Wastewater Technology Showcase, vol. 2. no. 3. pp. 24-28. 6. Hrentstein, B, Dean, T., Anderson, D., and Ellgas, W. October 1993. Dechlorination at EBMUD: Innovative and Efficient and Reliable. Proceeding of the Water Environment Federation Sixty- sixth Annual Conference and Exposition. Anaheim, California. ------- 10. 11. Kwan, A.; J. Archer; F. 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Chicago, Illinois. Salcor Engineering Dr. James E. Cruver P.O. Box 1090 Fallbrook, CA 92088-1090 Tacoma-Pierce County, WA Steve Marek Water Resources Section 3629 South D. Street Tacoma, WA 98408-6897 Trojan Technologies, Inc. David Tomowich 3020 Gore Road London, Ontario N5V 4T7 La mention de marcas o de productos comerciales no significa que la Agencia de Protection Ambiental de los Estados Unidos respalde o recomiende su uso. El contenido de este folleto informativo fue proporcionado por la National Small Flows Clearinghouse a la cual se agradece su uso. INFORMACION ADICIONAL Brown and Caldwell Raymond Matasci P.O. Box 8045 Walnut Creek, CA 94596 Roy F. Weston Inc. Peter J. Lau 1515 Market Street, Suite 1515 Philadelphia, PA 19102-1956 ------- Para mayor information, contactarse con: Municipal Technology Branco U.S. EPA Mail Code 4204 401 M St., S.W. Washington, D.C., 20460 iMTB Excetence in complance through optfrnal technfoaj sojuthra MUNICIPAL TECHNOLOGY ------- |