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AVANCES EN LA DESINFECCION DE AGUA DE RIEGO PORFOTOCATALISIS SOLAR: DESARROLLO EXPERIMENTAL Y

RESULTADOS PRELIMINARES *

Advances in irrigation water disinfection by solar photocatalysis:experimental development and preliminary results

F. De la Hoz1, D. Rivera1, J. L. Arumi1 & H. Mansilla2

1Departamento de Recursos Hídricos, Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad de Concepción,Chile.2Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Concepción, Chile.

Gestión Ambiental 14: 01-13 (2007)PRUEBA DE GALERA

Gestión Ambiental (Valdivia). ISSN 0718-445X versión en linea, ISSN. 0717-4918 versión impresa.

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RESUMEN

El mejoramiento de la calidad microbiológica del agua de riego, permite satisfacer los estándares decalidad requeridos por los mercados internacionales. La fotocatálisis, un Proceso Avanzado de Oxida-ción, es una tecnología de desinfección y degradación de los agentes contaminantes, mejorando la cali-dad del agua. Su eficacia ha sido probada, así como su inocuidad, bajo costo de operación y alta capaci-dad de remediación, pero no se han reportado aplicaciones para las aguas agrícolas. Por estas razones, elfoco principal de esta investigación es el uso de la fotocatálisis solar heterogénea para disminuir la cargamicrobiológica de aguas de riego, usando un fotocatalizador soportado en la superficie de canales yactivado por la radiación solar UV. Se realizaron pruebas de laboratorio en reactores estáticos de bajovolumen y de recirculación, además de pruebas en condiciones de operación controladas en un canalprototipo de 104 metros en longitud. La prueba de bajo volumen demostró la eliminación del 90% parala Escherichia Coli ATTCC 25922 con una energía de radiación acumulada de 10.000 J m-2, alcanzandolos niveles regulatorios chilenos para la calidad del agua de riego. Para el canal prototipo, la eliminaciónfue de un 85% en 50 m y el 90% en el final del canal. Estos resultados preliminares, indican que el usode esta tecnología en la desinfección del agua de riego, es factible y a bajos costos. Sin embargo, esnecesario avanzar en el desarrollo de una metodología de diseño para aplicaciones a escala real en elmarco de las Buenas Practicas Agrícolas.

Palabras claves: agricultura, aguas de riego, desinfección, coliformes fecales, fotocatálisis solar.

ABSTRACT

The improvement of microbiogical quality of irrigation water, allows the fulfill of quality standars re-quired by international markets. Photocatalysis, an Advanced Oxidation Process, is a technology fordisinfection and pollutants degradation, improving water quality. Their effectiveness is verified, as wellas their harmlessness, low cost of operation and high remediation capacity, but there is not reportedapplications for agricultural waters. For these reasons, the main focus of this research is the applicationof heterogeneous solar phocatalysis using a phocatalyst supported in channel’s lining and activated bysunligth UV radiation to decrease microbiological load. Laboratory tests were made in static reactors ofboth low volume and recirculation, in addition to tests in controlled conditions of operation in a proto-type channel of 104 meters in length. Low volume test showed 90 % elimination for Escherichia ColiATTCC 25922 with a cummulative radiation energy of 10.000 J m-2, reaching Chilean regulatory levelsfor irrigation water quality. For prototype channel, elimination was a 85 % at 50 m and 90 % at the endof the channel. These preliminary results, indicate that the use of this technology in the irrigation waterdisinfection is feasible and low costs. Nevertheless, it is necessary to advance in the development of adesign methodology for real-scale applications in a Good Agricultural Practices framework.

Key-words: Agriculture, irrigation water, disinfection, fecal coliform, solar photocatalysis.

De la Hoz et al.

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Fotocatálisis solar

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de una agricultura intensiva sus-tentable, exige no sólo optimizar los procesosproductivos desde el punto de vista económi-co, sino a la vez, manejar y controlar estosprocesos, procurando no generar efectos ne-gativos sobre el medioambiente.

Mundialmente, existe una gran preocupa-ción por la contaminación que producen lasciudades, industrias y en particular los resi-duos derivados de labores o procesos agríco-las. En Chile, la normativa por la cual se rigenlos niveles permitidos de calidad de aguas parariego es la Norma Chilena 1.333. Sin embar-go, bajo las características globales de los mer-cados, los productores no sólo deben cumplirlos estándares nacionales, sino también, losimpuestos por los mercados internacionales(e.g., EUREPGAP en la Unión Europea).

Definición del problema

En particular, dos de los agentes patógenos quemás afectan la producción agrícola son loscoliformes fecales y los nemátodos. En efec-to, Claret et al. (2003) analizaron muestras to-madas en 92 pozos en el secano mediterráneode Chile, de las cuales el 78,3 %(72 pozos)contenía coliformes fecales y el 88 % conte-nía coliformes totales (81 pozos), sobrepasan-do el límite microbiológico establecido por laNormativa Chilena para consumo humano ( 0Unidades Formadoras de Colonias UFC/100mL). En la cuenca agrícola del río Chillán,el Centro EULA de la Universidad de Con-cepción reportó que la contaminación por bac-terias fecales es uno de los problemas más se-rios de la cuenca del río Chillán (EULA 2002).

Entre las desventajas producidas por la uti-lización de aguas de riego contaminadas conpatógenos, se pueden mencionar: baja en losrendimientos por infección por nemátodos, li-

mitación para producir hortalizas de calidadpara el mercado nacional, amenaza de restric-ciones en la producción de frutas regadas conagua contaminada con bacterias fecales, peli-gro de enfermedades de los trabajadores agrí-colas y peligro para la población rural.

En general la contaminación por bacteriasfecales es más frecuente en los canales deri-vados que atraviesan muchas propiedades agrí-colas, encontrando a su paso fuentes de con-taminación puntuales como descargas clandes-tinas de aguas servidas, o difusas comoinfiltraciones provenientes de crianza de ani-males. Sin embargo, la contaminación difusa,fecal y por nemátodos, en las aguas de riegoes difícil de controlar, por lo cual los agricul-tores constantemente enfrentan la necesidadde desinfectar el agua.

Dado lo anterior, el objetivo de este traba-jo es analizar la factibilidad técnica en la apli-cación de la fotocatálisis heterogénea utilizan-do catalizador inmovilizado en revestimientosde mortero de cemento y activados por radia-ción solar para la reducción de cargamicrobiana del agua utilizada en la agricultura.

ESTADO DEL ARTE

Tecnologías de tratamiento

En la actualidad existe un gran número de tec-nologías para el tratamiento de efluentes, cuyafactibilidad depende de condiciones de ope-ración y de naturaleza de los contaminantes.Las aguas contaminadas por la actividad hu-mana, en general, pueden ser procesadaseficientemente por plantas de tratamiento bio-lógico, por adsorción de carbón activado uotros adsorbentes, como también por trata-mientos químicos convencionales (e.g., oxi-dación térmica, cloración, ozonización, oxi-dación mediante permanganato de potasio)(Doménech et al. 2004). En la agricultura, la

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búsqueda de tecnologías de tratamiento parala desinfección de aguas tanto en su captacióncomo en puntos de devolución, ha adquiridoen los últimos años gran importancia, debidoprincipalmente a las exigencias tanto nacio-nal como de los mercados extranjeros para laexportación de los productos agrícolas. Unaprueba de lo anterior es el aumento en los re-cursos para la investigación de nuevas tecno-logías de desinfección (e.g., instrumentos definanciamiento de la Comisión Nacional deRiego e INNOVA).

La disminución y mitigación de la conta-minación microbiológica puede ser abordadapor el sector agrícola mediante el desarrollode tecnologías de desinfección, que cumplancon bajos costos de implementación y man-tención, de forma tal que sea asequible a lamayoría de los productores, independiente desu escala de producción. En este sentido, unade las alternativas más atractivas es la utiliza-ción de la fotocatálisis para la desinfección deaguas de uso agrícola.

Fotocatálisis

La fotocatálisis es un proceso avanzado deoxidación que utiliza principalmente dióxidode titanio (TiO

2) como fotocatalizador. Uno

de los principales usos de esta tecnología estaen el tratamiento microbiológico del agua,dado su efecto bactericida. El TiO

2 es también

ampliamente utilizado como pigmento blan-co para pinturas, cosméticos y productos ali-menticios, dada su inocuidad (Fujishima et al.1999).

Serpone & Emeline (2002) definen lafotocatálisis como la aceleración de unafotoreacción por la acción de un catalizador.Las fuentes de emisión de fotones van de lám-paras de mercurio de xenón hasta radiaciónsolar. La eficiencia del proceso de tratamientodepende principalmente de la fuente de ilumi-nación (espectro e intensidad) y de la forma

de inclusión del catalizador. En la fotocatálisisse tienen dos tipos de técnicas: Procesosheterogéneos, los cuales son mediados por unsemiconductor como catalizador, obteniendodos fases de interacción y los procesos homo-géneos o procesos mediados por compuestosférricos, en donde el sistema es usado en unasola fase (Gil et al. 2005).

La fotocatálisis heterogénea tiene lugar enuna superficie de frontera entre dos fases (só-lido-líquido, sólido-gas, líquido-gas). En esteesquema, cuando una molécula de agua esadsorbida en la superficie del catalizador, segeneran radicales hidroxilos de gran capaci-dad de oxidación de los distintos contaminan-tes presentes en el agua (Benedix et al. 2000).

Fotocatálisis solar

La fotocatálisis solar es el uso de la radiaciónsolar en la producción de radicales hidroxilos(Malato et al. 2002). Algunos ejemplos de apli-cación son el tratamiento de aguas residualescon contenidos de formaldehídos provenien-tes de laboratorios veterinarios (Araña et al.2004), y el tratamiento de efluentes provenien-tes de plantas papeleras (Machado et al. 2003).Casos interesantes de mencionar son las ex-periencias en la Plataforma Solar de Almería(PSA, España) utilizando fotocatálisis solarpara el tratamiento del agua; el desarrollo dedióxido de titanio modificado (Xie & Yuan2004) y el acople de tecnologías basadas enluz solar con tratamientos biológicos (Sarriaet al. 2003). Un caso destacado son las expe-riencias desarrolladas en el marco del proyec-to OEA AE 141/2001 de la AgenciaInteramericana para la Cooperación y el De-sarrollo (2003) sobre desinfección solar y re-moción de arsénico de aguas en comunidadesrurales de América Latina (Litter & Mansilla2003). Una buena revisión del desarrollo dela fotocatálisis en la descontaminación y des-

De la Hoz et al.

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infección del agua por colectores solares, pue-de encontrarse en (Malato et al. 2007).

Desinfección fotocatalítica

Los efectos bactericidas de la fotocatálisiscomenzaron a ser estudiados por Ireland et al.(1993) utilizando cultivos puros de coliformesfecales, específicamente, Escherichia Coli(EC). Ireland et al. (1993), para concentracio-nes iniciales de entre 1.000 a 10.000 UFC/100mL y tiempos de exposición de entre 5 a 30minutos a TiO

2 inmovilizado en una placa ce-

rámica, obtuvieron conteos de coliformes in-feriores a 10 UFC/100 mL. Wei et al. (1994)corroboraron los efectos sobre la desinfecciónde agua utilizando TiO

2; en efecto, las tasas

de sobrevivencia de las colonias de EC es in-ferior al 50% después de 15 minutos de expo-sición.

El mecanismo de acción de los sistemas dedesinfección de aguas se basa en la promo-ción de la oxidación de los fosfolípidos poli-insaturados componentes de la membrana, pro-duciendo un desorden celular en la EC porfallas en su membrana (Maness et al. 1999).Nadtochenko et al. (2004) siguieron los cam-bios químicos y en la estructura de la EC in-ducidos por la fotocatálisis mediante ATR-FTIR (Attenuated total reflection Fouriertransform infrared spectroscopy) y AFM(Atomic force microscopy). Estas fallas lle-van a la muerte de los microorganismos porproblemas de la actividad respiratoria.

Gumy et al. (2006), compararon el poderde abatimientos de EC con diferentescatalizadores, encontrando que el mejor deellos es el TiO

2 Degussa P-25.

Aplicabilidad en la agricultura

Los sistemas basados en desinfección median-te fotocatálisis heterogénea usando radiación

solar tiene variadas ventajas, como: (1) El noconsumo de agentes oxidantes de alto valor yla alta producción de TiO

2; (2) Debido a que

la radiación ultravioleta necesaria para la ac-tivación del fotocatalizador puede ser obteni-da de la radiación solar, este tipo de sistemasconsume energías mínimas de mantención ynulo consumo energético externo en la opera-ción; (3) Los oxidantes producidos son de altopoder y no discriminan, con el potencial deeliminar la mayoría de los microorganismos yla degradación o mineralización de la mayo-ría de contaminantes orgánicos; (4) Puede seraplicable en zonas rurales o de difícil acceso,ya que otras tecnologías similares, como lairradiación con UV o la aplicación de ozononecesitan una fuente externa de energía.

Sin embargo, aún considerando estos an-tecedentes, esta tecnología no ha sido aplica-da a problemas de calidad de agua de riego enla agricultura bajo condiciones de manejo tra-dicional. Pero cabe destacar, que se han reali-zado avances en la utilización de lafotocatálisis en la inactivación de hongospatógenos presentes en los sustratos utiliza-dos en cultivos hidropónicos, reportándose sig-nificativos niveles de inactivación en las es-pecies fusarium evaluadas (Sichel et al. 2007).La aplicación de esta tecnología supone eldesarrollo de un método de desinfección deaguas para riego ambientalmente amigable,inocuo y de bajo costo.

Considerando que la tecnología de desin-fección usando fotocatálisis heterogénea cons-tituye un nicho de investigación y desarrollode tecnologías aplicables a la agricultura en elmarco de producción limpia y de calidad, seconsidera de gran importancia abordar esta lí-nea de investigación; mas aún, si se consideraque los problemas de mitigación y prevenciónson un objetivo fundamental de la Política deEstado para la Agricultura Chilena, además dela innovación, investigación y el fomento parala calidad.

Fotocatálisis solar

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DESARROLLO EXPERIMENTAL

Las investigaciones de la Unidad deFotocatálisis de la Facultad de Ingeniería Agrí-cola, están orientadas al mejoramiento en lacalidad de las aguas utilizadas en la agricultu-ra. Los proyectos que se encuentran en desa-rrollo son: (a) desarrollo de un proceso de des-infección de aguas de riego usandofotocatalizadores activados por radiación so-lar e inmovilizados en revestimiento de cana-les; y (b) desarrollo de un reactor de bajo vo-

lumen para desinfección de agua mediantefotocatálisis solar heterogénea para zonas ru-rales.

Desinfección de agua en canales

Para el desarrollo de este proyecto, se consi-deraron cuatro etapas de trabajo. En la prime-ra, se realizaron trabajos exclusivamente enlaboratorio, buscando definir la mejor técnicade inmovilización del catalizador en morterode cemento, y la evaluación de éste en el aba-timiento de coliformes fecales, mediante prue-bas en un reactor de bajo volumen con fuentede luz artificial (Fig. 1). En la segunda etapase ejecutaron pruebas en un canal prototipoen condiciones de terreno; además, se contro-laron y monitorearon en el canal las variablesde mayor incidencia en el proceso de desin-fección. En la tercera etapa, a partir de los re-sultados obtenidos anteriormente, se está tra-bajando en identificar y definir los procesos ysubprocesos que intervienen en la desinfec-ción fotocatalítica en un canal en condicionesde terreno, junto con la caracterización de lainteracción de las variables de mayor influen-cia en la eficiencia de desinfección. La últimaetapa considera contar con un modelo concep-tual y un modelo funcional, a partir de la sín-tesis de los procesos involucrados.

FIGURA 1. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓNDEL REACTOR DE BAJO VOLUMEN: 1:FUENTE DE RADIACIÓN UV-A, 2: BOM-BAS DE AIREACIÓN, 3: MOTORES DEAGITACIÓN, 4: SENSOR DE RADIACIÓNUV-A, 5: RECIPIENTES PLÁSTICOS.

Schematic configuration for low volume reactor: 1: source of UV-A radiation, 2: aeration pump, 3: agitation engines, 4: sensorradiation UV-A, 5: plastic containers.

Ensayos de laboratorio

Los distintos ensayos que se realizaron en elreactor de bajo volumen, fueron de gran im-portancia para el estudio básico de lafactibilidad del proceso fotocatalítico en la des-infección de agua para riego. En el fondo derecipientes plásticos, se depositaron losetas dehormigón con distintas concentraciones delfotocatalizador. El reactor puede contener cua-tro recipientes plásticos, manteniendo en for-ma homogénea la intensidad de radiación UV-A en cada recipiente.

De la Hoz et al.

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Tratamientos

Se evaluaron cuatro concentraciones de cata-lizador inmovilizado en mortero de cemento.La inmovilización del catalizador, se realizómediante la incorporación de éste, en la etapade mezclado para la preparación de la pastade cemento. Las concentraciones de cataliza-dor utilizadas como tratamiento, son funciónde porcentaje de peso de cemento utilizado enla preparación de la pasta de cemento, defini-das como T1 < T2 < T3 < T4. La pasta decemento fue depositada en el fondo de reci-pientes plásticos de 900 mL de capacidad,obteniéndose losetas en el fondo de los reci-pientes con secciones de 11 X 11 cm2 y 0,5cm de espesor. Para el control de la humedadde las losetas en las etapas de fraguado y en-durecimiento, se sellaron los recipientes contapas a presión, evitando de esta manera la des-hidratación de las losetas.

Reactor

El reactor estático o de bajo volumen esta con-formado por una caja de perfiles metálicos conun revestimiento de tableros de OSB (OrientedStrand Borrad) de 6mm de espesor y pintadode negro en su interior con óleo opaco. Estereactor, cuenta con un solarium (Philips,Decollete Studio HB 311), como fuente de UVcon longitudes de onda concentradas en los360 nm. Las pruebas o tratamientos se reali-zaron en recipientes plásticos de 900 mL decapacidad, que cuentan con un sistema de ai-reación mediante dos bombas (Sera, Air 110).La homogenización del volumen de agua con-tenido en cada recipiente se logra mediante unsistema de agitación que esta compuesto porun conjunto de motores de tres volts, con con-trol de potencia. Estos motores poseen en suextremo un mini rotor, el cual genera un vórti-ce que permite una completa homogenización

y aireación del agua en cada recipiente.La intensidad de radiación emitida por la

fuente, es registrada por un sensor de radia-ción UV-A (Skye, 420). Las longitudes de ondaque registra el sensor están entre los 315 y 380nm, que corresponde a la zona UV-A electro-magnético. Para realizar una normalizaciónde la intensidad de radiación incidente por uni-dad de área (w/m2) registrada en cada ensayo,se determinó la energía acumulada por uni-dad de volumen tratado Q

UV (Rincón &

Pulgarin 2004). Para ello, se utiliza la siguienteexpresión:

QUV,n

= QUV,n-1

+ ∆tn . UV

G,n . A

L/V

T (1)

donde, ∆tn = t

n-t

n-1, t

n es el tiempo de monitoreo,

UV G,n

es el promedio de la radiación UV glo-bal durante t

n, A

L es el área de la loseta con el

tratamiento (12,1x10-3 m2), VT es el volumen

de la muestra a tratar (270 mL) y QUV,n

es laenergía acumulada incidente sobre cada mues-tra por unidad de volumen (kJ/L).

Preparación de la solución con bacteria

El caldo de cultivo utilizado en todos los en-sayos, es suministrado por el Laboratorio deMicrobiología de la Facultad de MedicinaVeterinaria de la Universidad de Concepción,Campus Chillán. El caldo de bacterias con una

concentración de 10^5 UFC/100mL es dilui-do en agua destilada para alcanzar concentra-ciones que van de los 3.000 a 10.000 UFC/100mL. Estos valores de concentración, soncomúnmente encontrados en los canales deriego de nuestro país (DGA 2003). La solu-ción final obtenida de la dilución, es vertidaen los recipientes que contienen los distintostratamientos, controlando que todos ellos con-tengan la misma altura de agua sobre las lose-tas.

Fotocatálisis solar

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Muestreo y monitoreo del ensayo

Para el muestreo del ensayo se utilizan placasPetrifilm para E.coli (3M, E. coli /coliformes).Este método ha sido validado para el controlmicrobiológico de alimentos y se ha reporta-do una excelente respuesta en la medición decalidad de aguas (Beloti et al. 2003, Silva, etal. 2004). La toma de muestras se realizó aintervalos de tiempo de cinco minutos, utili-zando una micropipeta para la extracción de 1mL. Luego de inocular las placas Petrifilm,estas son incubadas a una temperatura de 35°Cpor un periodo de 24-48 hr (método oficial991.14. de la AOAC. Finalizado el periodo deincubación, se procede al conteo de coloniasformadas en las placas. Estas colonias se ca-racterizan por la coloración azul y por la ge-neración de burbujas de gas a su alrededor(Fig. 2).

El monitoreo en tiempo real del funciona-miento de la fuente de radiación UV y de losoxigenadores, se realiza mediante un compu-tador. Otras variables como la temperatura yel pH, son medidos al inicio de las pruebas(Extech, ExStikTM pH Meter).

Canal prototipo

El diseño consideró dos áreas de desarrollo:hidráulica-constructiva e inmovilización-eli-minación. Respecto al diseño hidráulico-cons-tructivo, se consideraron los criterios básicosde diseño de canales revestidos de hormigón.El modelo matemático utilizado, correspondea la ecuación de Chèzy-Manning (Potter et al.2002), con la siguiente expresión:

V = a/n . A . Rh 2/3 . S 1/2 (2)

Rh = A/P (3)

donde, V es la razón de flujo en el canal en m3/s, a es una constante dimensional igual a 1 m1/

3/s, n es el coeficiente de rugosidad de la su-perficie del canal, R

h es la relación entre el área

de conducción A y el perímetro mojado P dela sección del canal y S es la pendiente delcanal. A partir de esta expresión, se definióuna sección de flujo trapezoidal, consideran-do un caudal máximo de escurrimiento de 16L/s, con una pendiente del 1/1.000 paramaximizar el tiempo de residencia en el ca-nal.

Los materiales utilizados para la construc-ción del canal fueron: soleras, placas prefa-bricadas, mortero de pega y hormigón H5 paraemplantillado (Fig. 3). La longitud considera-da en el diseño del canal fue de 104 m, permi-tiendo disponer de un largo efectivo de trata-miento de 100 m. Se consideró una cámara demezcla al inicio del canal, para la incorpora-ción del caldo de bacterias y una segunda cá-

De la Hoz et al.

FIGURA 2. PLACA PETRIFILM CON E.coliATCC 25922 DE COLOR AZUL MASBURBUJAS DE GAS EN SUS CONTOR-NOS.

Petrifilm plate with E. coli ATCC 25922 of blue color more gasbubbles in his outlines.

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mara al final del canal para el control de des-carga (Fig. 4a). Para el suministro constantede agua al canal durante los ensayos, se dis-pone de una piscina de acumulación de 56 m_(Fig. 4b). Para el abastecimiento de agua des-de la piscina al canal, se dispone de dos bom-bas eléctricas de alto caudal.

En lo referente al diseño inmovilización-eliminación, se utilizaron losetas para la apli-cación del tratamiento. Este método facilitaevaluaciones posteriores de distintas concen-traciones del catalizador, sin la necesidad deincurrir en la modificación física del canal pro-totipo. Estas losetas se diseñaron consideran-do la inmovilización del catalizador en la ma-triz del mortero. Se determinó que el tamañoidóneo para una fácil manipulación de estasplacas es de 50X50 cm

2 con un espesor de mor-

tero no superior a 5 mm, para minimizar lamasa de catalizador adicionado al mortero.

La inyección de caldo de bacterias se rea-lizó mediante una manguera conectada a lamatriz de alimentación del canal. El caldo se

Fotocatálisis solar

FIGURA 3. ESQUEMA DE LA SECCIÓN DEL CANAL PROTOTIPO Y MATERIALES UTILIZA-DOS (UNIDADES EN MM.).

Schematic for channel prototype section and materials used (units in mm).

FIGURA 4. A: PISCINA DE ACUMULACIÓN,B: CÁMARA DE MEZCLA Y C: CÁMARADE DESCARGA.

A: pit accumulation, B: mixing chamber, C: discharge chamber.

A

B C

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inyecta gravitacionalmente desde un estanquerotulado.

Para la verificación del funcionamiento delcanal, se realizaron pruebas de abatimiento debacterias E. Coli ATCC 25922 con concentra-ciones de hasta 2x10^6 UFC/mL. y con un cau-dal de flujo de 1 L/s. Las variables de interésfueron monitoreadas mediante sensores y porextracción de muestras de agua para el poste-rior análisis de laboratorio. Para el análisis mi-crobiológico se utilizaron placas Petrifilm.

RESULTADOS PRELIMINARES

Reactor de bajo volumen

El efecto del proceso fotocatalítico en lacinética de abatimiento de la bacteria (Fig. 5a),muestra una mayor eficiencia los tratamien-tos con T3 y T4. Los niveles de abatimientoalcanzados con estos dos tratamientos, son delorden de dos unidades logarítmicas con tiem-pos de exposición de 30 minutos. .La intensi-dad de radiación UV-A fue de 34 W/m

2, que

corresponde a una radiación total de 700 W/m_ en condiciones naturales. Estos niveles deabatimiento, permiten obtener concentracio-nes bajo la Norma Chilena 1.333, con tiem-pos de exposición de 17 minutos. Otras expe-riencias1 en desinfección de aguas, han obte-nido niveles de abatimiento de hasta 5 unida-des logarítmicas con tiempos de exposiciónde cuatro horas, bajo niveles de radiación si-milares a los utilizados en este proyecto

La similitud en las respuestas de abatimien-to, entre los tratamientos T3 y T4, se explicaen que alcanzado un determinado grado deconcentración de catalizador en la superficie,se produce una recombinación acelerada de lospares electro-hueco. Esta rápida recombina-

ción, limita la capacidad de emigración de lascargas en la solución con la cual se encuentraen contacto la superficie del catalizador, dis-minuyendo la capacidad de interacción con lasbacterias que se encuentran en el medio acuo-so. Es por ello que a partir de estos resultados,se determinó que la concentración recomen-dada de catalizador para la utilización de estatécnica de inmovilización es cercana a T3 enfunción al peso del cemento utilizado en laconfección de las losetas.

En los distintos ensayos de laboratorio, seutilizaron diversas concentraciones iniciales debacterias en suspensión, registrándose mayo-res eficiencias de abatimiento para concentra-ciones iniciales más altas. La relación entreeficiencia de abatimiento y concentraciones debacterias tiene una explicación probabilística.En efecto, al exisistir un mayor número debacterias en el volumen de agua a tratar, exis-te mayor probabilidad que alguna de éstas en-tre en contacto con la superficie de las losetaen la cual se produce la reacción fotocatalítica,por lo que a medida que la concentración dis-minuye, también disminuye la probabilidad decontacto de la bacteria con el catalizador. Unejemplo de la diferencia de eficiencia segúnla concentración inicial de bacterias, se pre-senta en la Fig. 5b. Este resultado tiene unaimportante implicancia en el diseño de cana-les de riego revestidos con catalizador, ya quepara bajos niveles de carga microbiológica esnecesario generar altos niveles de turbulenciaen la sección del canal por donde se conduzcael agua, de tal manera de aumentar la probabi-lidad de contacto entre las bacterias con la su-perficie del catalizador.

Canal prototipo

Los resultados obtenidos de los ensayos preli-minares realizados en el canal prototipo, semuestran en la Fig. 6. Para uno de los ensayosno fue posible alcanzar conteos de E. Coli in-

De la Hoz et al.

1Texto colectivo elaborado por la red CYTED VIII-G, 2001

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feriores a 1.000 UFC/100 mL, que es el límitepara riego irrestricto según la normativa chi-lena, debido a que el largo del canal (tiempode exposición) no fue suficiente para abatir laconcentración inicial cercana a 106 UFC/100mL. Sin embargo, se observa que para los dosensayos, el mayor porcentaje de eliminaciónse produjo en los primeros 50 m de tratamien-

to en el canal. En efecto, al existir un númeromayor de bacterias en suspensión, mayor esla probabilidad de que una de ellas entre encontacto con la superficie del fondo del canaldonde se encuentra inmovilizado el cataliza-dor. De esta manera se justifica el decrecimien-to en magnitud de la eliminación a lo largodel canal.

A partir de los resultados obtenidos se rea-lizó una identificación preliminar de las va-riables que estarían involucradas en la desin-fección fotocatalítica en el canal prototipo.Para ello se realizó una clasificación de losprocesos y subprocesos, según la naturalezade ellos. Esta clasificación esta conformadapor cuatro grupos: hidráulicos, microbioló-gicos, químicos y ópticos. Esto permitirá dis-poner de un mejor ordenamiento para la defi-nición de interacción entre estos cuatro gru-pos. Cada grupo esta subdividido en tres ni-veles o zonas de análisis, en las cuales se rea-liza la caracterización de los procesos ysubprocesos.

FIGURA 6. ABATIMIENTO EN CONCENTRA-CIÓN DE BACTERIAS A LO LARGO DELCANAL PROTOTIPO.

Abatement in concentration of bacteria along the canal prototype..

Fotocatálisis solar

FIGURA 5. A: CINÉTICA DE ABATIMIENTODE BACTERIA ATCC 25922, EN FUNCIÓNDE LA ENERGÍA ACUMULADA DE RA-DIACIÓN UV-A, PARA LOS TRATAMIEN-TOS T1, T2, T3 Y T4, B: CINÉTICA DE ABA-TIMIENTO DE BACTERIA ATTCC 25922,PARA EL TRATAMIENTO T3, UTILIZAN-DO DIFERENTES CONCENTRACIONESINICIALES DE BACTERIAS PARA CADAPRUEBA.

A: Abatement kinetics for bacterium atcc 25922, depending on theaccumulated energy of uv-a radiation, for t1, t2, t3 and t4, B:abatement kinetics for bacterium attcc 25922, for the treatment t3,using different concentrations of bacteria for each test.

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CONCLUSIONES

Basado en los resultados, tanto en las pruebasde laboratorio como en el canal prototipo, pue-de concluirse que la fotocatálisis solarheterogénea, es factible de ser aplicada en eltratamiento de desinfección de aguas de rie-go, siendo necesario a su vez, la realizaciónde un mayor número de ensayos en condicio-nes de terreno, que permita contar con unaamplia base de datos, para mejorar los méto-dos de diseño y dimensionamiento de reacto-res en condiciones de campo.

LITERATURA CITADA

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