Solar water disinfection in large-volume containers for low-income countries

Actualmente, más de 800 millones de personas carecen de acceso a agua potable. La mayoría de estas personas viven en países de bajos ingresos donde los recursos financieros y tecnológicos son limitados. En este contexto, la falta de suministro de agua potable centralizado proveniente de plantas de tratamiento se cubre con procesos a nivel doméstico. Estos tratamientos, que suelen denominarse tratamientos domésticos de agua, se caracterizan por ser de bajo coste, fáciles de usar y sostenibles. Algunos ejemplos son la cloración, la floculación-coagulación, el hervido y la desinfección solar del agua. Este último, también llamado proceso SODIS, se ha revelado como uno de los tratamientos más adecuados para producir agua potable a nivel doméstico, ya que es barato, no depende de consumibles y su eficacia de eliminación de patógenos (virus, bacterias y protozoos) del agua ha sido ampliamente demostrada. Este proceso se basa en el efecto germicida de la luz UV y su efecto sinérgico con el aumento de la temperatura del agua. El procedimiento es muy sencillo, basta con llenar un recipiente transparente con agua y colocarlo a la luz del sol durante varias horas. El procedimiento globalmente aceptado establece que se deben exponer botellas de polietilentereftalato (PET) de 2 litros durante 6 h en días soleados o 48 h en días nublados. Sin embargo, este método estándar tiene limitaciones que podrían solventarse cambiando alguna característica del procedimiento: el aumento del volumen del recipiente disminuiría el riesgo de recontaminación causado por la manipulación de botellas de 2 litros y también maximizaría la producción de agua potable; el uso de materiales plásticos para la fabricación de recipientes distintos del PET aumentaría significativamente la eficacia de la inactivación de virus y protozoos; y un estudio detallado de los factores que influyen en el proceso reduciría la sobreestimación del tiempo de exposición solar.

Por lo tanto, el desarrollo de precisos modelos cinéticos es crucial para garantizar, e incluso maximizar, la producción de agua potable. Un modelo cinético ideal debería tener en cuenta todos los factores críticos que afectan a la eficacia del proceso, como la intensidad y la distribución espectral de la radiación solar, los espectros de transmisión de las paredes del recipiente —y el envejecimiento del material del recipiente SODIS—, o bien fabricado con PET, o bien con materiales alternativos, la composición química del agua —ya que las sustancias presentes en el agua pueden desempeñar un papel crítico como atenuadores de la radiación y/o sensibilizadores que desencadenen procesos de inactivación— y el tipo y la concentración de patógenos en el agua no tratada (virus, protozoos o bacterias).

En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de una metodología para el modelado cinético del proceso que permita estimar con precisión el tiempo de exposición solar necesario en recipientes SODIS de alta capacidad. Para ello, el modelo completo se dividió en varias partes, cada una relacionada con uno de los factores anteriormente comentados:

▸desarrollo de un algoritmo para obtener fácilmente la dosis solar diaria real en cualquier punto del mundo (radiación solar),

▸desarrollo de una herramienta de cálculo para estimar la irradiancia espectral en el interior de los recipientes SODIS para los materiales más adecuados (recipiente),

▸desarrollo de un procedimiento para calcular la radiación incidente efectiva en los recipientes SODIS de gran volumen en función de las concentraciones de sustancias naturales encontradas en aguas reales (composición del agua), y

▸desarrollo de modelos cinéticos mecanísticos que describan las principales reacciones de inactivación de los diferentes tipos de microorganismos durante el proceso SODIS (modelización cinética para inactivar virus, protozoos o bacterias).

El algoritmo para calcular la dosis diaria en función del día del año y de la latitud se desarrolló teniendo en cuenta: i) la duración del día y la irradiancia del sol al mediodía solar, las cuales solo dependen de la latitud y del día del año; ii) un primer factor corrector (F₁) que relaciona la radiación incidente acumulada con la dosis diaria si la irradiancia del sol corresponde a la del mediodía solar y es constante durante la duración de todo el día; y iii) un segundo factor corrector (F₂) que relaciona la radiación real y la máxima acumulada incidente. Para F₂=1 (dosis máxima teórica), F₁ se estimó en un valor de 0,43 a 307,5 nm y a una latitud de 45°N. El cálculo se realizó comparando las predicciones con la suma de la radiación teórica acumulada cada hora (estimada por el National Renewable Energy Laboratory) en un día compelto. Este valor se validó con los datos de la radiación acumulada para las latitudes comprendidas entre 60°S a 60°N, con un paso de 5^o. Como el valor de F₂ depende de las condiciones meteorológicas, se recomienda encarecidamente medir la radiación real sobre el terreno para determinar F₂. Sin embargo, si no se dispone de mediciones reales, en este trabajo se presenta gráficamente una aproximación razonable de este valor en función de la latitud y la longitud que fue obtenida a partir de datos históricos. Por ejemplo, el valor estimado de F₂ = 0,58 para 52°N, 5°E, redujo el error entre las predicciones y las mediciones reales del 121% al 25,5%. El algoritmo resultó ser sencillo, preciso y capaz de responder a diferentes espectros solares. Sin embargo, la simplicidad del procedimiento también conlleva algunas limitaciones, como la pérdida de precisión para los tratamientos que duran menos de medio día y para lugares con una meteorología muy variada, y el uso restringido en latitudes fuera de la franja de 60°S y 60°N.

La herramienta para calcular el espectro de radiación en el interior de los envases SODIS se denominó Solar UV Calculator y se desarrolló siguiendo la Ley de Lambert-Beer y midiendo los espectros de absorción de materiales plásticos previamente seleccionados. Esta selección se realizó, en primer lugar, teniendo en cuenta datos bibliográficos de costes de producción, propiedades mecánicas y fotoestabilidad, y mediciones experimentales de propiedades ópticas. Inicialmente, se descartaron el poliestireno (PS), el cloruro de polivinilo (PVC) y el polietileno (PE) como materiales adecuados para la fabricación de envases SODIS debido a su escasa fotoestabilidad. Sin embargo, aunque el polipropileno (PP) también presenta baja fotoestabilidald, sí se eligió por su bajo coste, su transmisión de la radiación en el rango UVB y la posibilidad de añadir un estabilizador UV. También se seleccionó el policarbonato (PC) y el polimetilmetacrilato (PMMA) por su alta fotoestabilidad y sus buenas propiedades ópticas. Finalmente, a pesar de su opacidad en el rango UVB, también se eligió el PET para comparar el plástico estándar de fabricación de recipientes SODIS con otros plásticos alternativos más adecuados. Por lo tanto, la herramienta Solar UV Calculator ofrece espectros de radiación por defecto para el PMMA, el PET, el PC y el PP. No obstante, esta herramienta está a disposición de cualquier usuario potencial interesado en la evaluación de los parámetros de diseño de recipientes SODIS —como el espesor y otros tipos de materiales si se conoce el espectro de absorción—, o incluso en la evaluación de otros procesos solares sometidos a una fuerte dependencia espectral de la transmisión de los materiales. Además, también se llevó a cabo un estudio exhaustivo del efecto de la exposición a la intemperie en las propiedades de los plásticos utilizados en procesos SODIS actualmente implantados en campo (PET, PMMA, PP y PP con 1% en peso de estabilizador UV). Para ello, se analizaron las propiedades mecánicas (ensayos de flexión y tracción), propiedades físico-químicas (espectroscopia de infrarrojos, calorimetría diferencial de barrido y cromatografía de permeación de gel a alta temperatura), propiedades ópticas (espectrofotometría UV-Vis) y tasas de desinfección bacteriana (experimentos en condiciones de iluminación controlada) en muestras de plásticos envejecidas de forma acelerada. El PET y el PP mostraron los índices de desinfección más bajos debido a que el PET no transmite radiación UVB, y a que el PP sufrió un envejecimiento bastante significativo y, como consecuencia, su transmitancia descendió drásticamente. La vida útil del PET se estimó, como mínimo, en 1 año de exposición solar, mientras que únicamente en 2 meses para el PP sin aditivos. El PP con un 1% de estabilizador UV y el PMMA mostraron las mejores propiedades ópticas y tasas de desinfección a pesar del envejecimiento, sin signos de degradación significativa después de 9 meses para el PP+1% y, al menos, 1 año para el PMMA. Dado que el PP+1% es un plástico con un buen balance entre su elasticidad y resistencia al impacto, se recomienda su uso para recipientes SODIS portátiles, mientras que el PMMA se recomienda para dispositivos SODIS estáticos por su alta rigidez, resistencia al impacto y facilidad para ser rayado. Así pues, el PMMA y el PP con un 1% de estabilizador UV se identificaron como materiales óptimos para la fabricación de dispositivos SODIS, lo que confirma que las propiedades mecánicas más favorables no son cruciales para seleccionar materiales que sean adecuados y también confirma la necesidad de estudiar el deterioro por exposición a la intemperie de los recipientes SODIS.

La radiación efectiva disponible en el interior de los recipientes SODIS de gran volumen se calculó considerando la concentración de sustancias naturales del agua. Se realizaron ensayos de desinfección en agua con concentraciones crecientes de las especies. Las sustancias estudiadas fueron (bi)carbonatos, carbohidratos solubles medidos como carbono orgánico disuelto (DOC), hierro, ácidos húmicos y sólidos medidos como turbidez. La presencia de sustancias transparentes en el rango UV, como los bicarbonatos y los carbohidratos solubles, no tuvieron ningún impacto en la tasa de desinfección, mientras que la presencia de sustancias ópticamente activas, como el hierro, los ácidos húmicos o los sólidos, actuaron como atenuadores de la radiación. Se calcularon las propiedades ópticas del agua (coeficientes de absorción y dispersión y función de fase de la dispersión) con las sustancias ópticamente activas mediante espectrofotometría. La distribución de la radiación en el interior de los recipientes de gran volumen fue estimada mediante simulación numérica. Las sustancias absorbentes (hierro y ácidos húmicos) produjeron una disminución progresiva de la radiación incidente a lo largo del recipiente a medida que aumentaba la longitud del recorrido de la radiación. En cambio, las partículas dispersantes (turbidez) condujeron a perfiles significativamente más pronunciados con valores mucho más altos de la radiación incidente cerca de la parte frontal, que supuso un índice de uniformidad más bajo. Se realizaron más experimentos de desinfección con las sustancias ópticamente activas a diferentes concentraciones para comprobar que la cinética del proceso en recipientes de gran volumen no sólo se ve afectada por el valor medio de la radiación incidente, sino también por la homogeneidad en la distribución de la radiación. Esta hipótesis fue corroborada con éxito para todas las sustancias, excepto para el hierro, que también tiene un papel como potenciador del daño bacteriano, probablemente debido a su posible permeabilidad dentro de la célula y a su contribución en el proceso Fenton intracelular.

Para la modelización cinética mecanística, se obtuvieron datos experimentales de desinfección en condiciones controladas de luz y temperatura del agua con virus, protozoos y bacterias. Estos datos ayudaron a estudiar cada uno de los mecanismos (térmico, fotónico y sinérgico UV-T), a proponer esquemas cinéticos apropiados para la inactivación de cada tipo de microorganismo, y a estimar los correspondientes parámetros cinéticos. Aquellos parámetros no disponibles en la bibliografía o que no pudieron ser estimados de forma independiente, fueron calculados mediante modelos de regresión.

Para la modelización de la inactivación del virus mediante el proceso SODIS, los virus MS2 no mostraron ningún efecto térmico en condiciones de oscuridad en el rango de temperaturas del agua que se alcanza habitualmente durante el proceso SODIS (20-50°C). Los datos experimentales de la inactivación del virus en condiciones de iluminación a bajas temperaturas mostraron una dependencia lineal que fue modelada con éxito con un modelo cinético de primer orden. En cambio, los virus sí mostraron sensibilidad al efecto sinérgico UV-T (reducción de 3 logs en 60-90 min), el cual se modeló aplicando una ecuación de Arrhenius modificada a la constante cinética de la reacción fotónica. Además, se incluyó la dependencia espectral en la reacción fotónica añadiendo la función de ponderación biológica del ARN a su constante cinética. Se realizaron más experimentos —se modificó el espectro de emisión de radiación colocando plásticos de PET, PP y PMMA entre el agua y la fuente solar— y respondieron con éxito a la acción espectral del ARN. Estos resultados confirmaron que la inactivación observada experimentalmente para el PET es despreciable, resultado muy significativo teniendo en cuenta que es el material más utilizado para los procesos SODIS, mientras que el PMMA y el PP proporcionaron las tasas de desinfección más grandes.

Para la modelización de la inactivación de protozoos mediante el proceso SODIS, el sistema también se analizó, primeramente, en condiciones de oscuridad. En estas condiciones, los protozoos Cryptosporidium parvum mostraron una inactivación por efecto térmico por encima de los 30°C (modelado con la ecuación de Arrhenius), siendo este proceso especialmente significativo por encima de los 40°C, (se consigue una reducción de 3 logs en 17 h a 44°C y en aproximadamente 1 h a 50°C). Las curvas experimentales de desinfección en condiciones de iluminación a bajas temperaturas mostraron un hombro inicial que se modeló con éxito con un modelo de eventos en serie. Además, los protozoos también mostraron sensibilidad al efecto sinérgico UV-T (reducción de 3 logs en 2-3 h), que se modeló aplicando una ecuación de Arrhenius a la constante cinética de la reacción fotónica. También se incluyó la dependencia espectral en la reacción fotónica, mediante la incorporación de la función de ponderación biológica del ADN (calculada previamente) a su constante cinética. Se realizaron más experimentos —se modificó el espectro de emisión de radiación colocando plásticos de PET, PP y PMMA entre el agua y la fuente solar— y respondieron con éxito a la acción espectral del ADN. Estos resultados confirmaron que se podía despreciar la inactivación observada experimentalmente para el PET a temperaturas inferiores a 40°C. Por lo tanto, el hecho de que en los envases de PET no se inactiven los virus y que la inactivación térmica sea casi la única posibilidad de inactivar protozoos, evidencia la necesidad de buscar materiales alternativos para fabricar recipientes SODIS, entre ellos el PMMA y el PP con estabilizador UV.

Para la modelización de la inactivación de las bacterias por el proceso SODIS, también se realizaron experimentos con H₂O₂ añadido a la matriz de agua para esclarecer los mecanismos internos celulares y sus parámetros cinéticos. En primer lugar, se modelizó las rutas de la respiración celular y el efecto del daño de los radicales en la bacteria Escherichia coli (condiciones de oscuridad). Para este último efecto, se utilizó un modelo de eventos en serie con una constante de recuperación, y así reproducir con precisión este sistema. También se consideró el comportamiento de las bacterias cuando están expuestas a H₂O₂ y éste penetra en la célula alterando su equilibrio. Además, los sumideros de H₂O₂ —descomposición térmica, permeación al interior de la célula, interacción con la membrana celular y con los restos celulares— también se definieron cinéticamente. Las bacterias también mostraron una inactivación por efecto térmico en condiciones de oscuridad por encima de 30°C, el cual se modeló con la ecuación de Arrhenius. Por último, los efectos fotónicos se incluyeron en los mecanismos (desactivación/activación de enzimas/coenzimas, proceso foto-Fenton intracelular y daño directo). El daño directo se modeló con otro modelo de eventos en serie con recuperación que se acopló con el del daño de los radicales mediante un modelo de múltiples golpes y múltiples objetivos. Además, las bacterias mostraron una suave sensibilidad a la sinergia UV-T y se modeló mediante la incorporación de la ecuación de Arrhenius a la constante cinética del daño directo fotónico.

En conclusión, esta Tesis Doctoral presenta el desarrollado de un modelo cinético completo que estima el tiempo de exposición solar necesario en recipientes de alta capacidad sometidos al proceso SODIS. La complejidad de los microorganismos obliga a adoptar suposiciones para obtener modelos cinéticos mecanísticos plausibles. Sin embargo, a pesar de sus limitaciones, estos modelos ofrecen un marco incomparable para futuros desarrollos y mejoras, pudiendo contemplar nuevas reacciones, procesos y patógenos.