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DESINFECCIÓN SOLAR DE AGUA EMBALSADA IMPLEMENTANDO UN
SISTEMA DE CONCENTRADOR DE CANAL PARABÓLICO
Diana L. Arias Guzmán1a Paola N. Magaña Rivera2a Eduardo Cárdenas Fierros3a y Sergio
Ruíz4a
aIngeniería en Energía. Centro Universirario de Tonalá. Universidad de Guadalajara. Av.
Nuevo Periférico No. 555 Ejido San José Tatepozco, C.P. 45425, Tonalá Jalisco, México.
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Introducción
En el mundo se encuentran 749 millones de personas sin acceso a agua potable de
buena calidad, esto es el 10.44% de la población mundial. Mientras que existen 2.5 billones
de personas sin acceso a agua sanitaria de buena calidad, el 35.15% de la población mundial.
(World Health Organization and UNICEF Joint Monitoring Programme [JMP], 2014)
Implicando que el agua que utilizan tiene altos niveles de contaminación de patógenos. En el
2012, en total se estimaron 842 mil muertes por infecciones de diarrea. (Prüss-Ustün, 2014)
En el 2011, estudios mostraron que México tenía una cobertura de agua potable de 94%
desglosándose en 96% zona urbana y 89% zona rural, mientras que en cuanto a agua sanitaria
la cobertura es de 85% (87% urbana y 77% rural). (Comisión Nacional del Agua, 2013)
Mientras que, según el INEGI, en Jalisco la cobertura de AP es del 93%.
El problema de abastecimiento de agua de calidad es importante, considerado el riesgo
mundial con impacto a la sociedad más grave por el Foro de la Economía Mundial (WEF por
sus siglas en inglés).
Se han desarrollado métodos de desinfección, entre los cuales destacan métodos químicos
como cloración, sales metálicas, ozono, ácidos y álcalis. Físicos como radiación gamma y
ultravioleta. Esta última proveniente del sol resulta ser una fuente importante para el
tratamiento del agua, de tal manera se ha considerado la desinfección por radiación solar,
SoDis (Solar Water Disinfection) en inglés. Consiste en un sistema de bajo costo, fácil de
realizar, sostenible, que lo convierte en uno de los métodos más eficaces y accesibles de
purificación.
Marco Teórico
Potabilizar el agua con energía del sol es una alternativa que muchas comunidades
han implementado desde la antigüedad y para ello utilizan el principio de transformación de
agua en la naturaleza, aplicando a sistemas pequeños donde se aprovechan cambios de
temperatura para hacer cambiar el agua de fase y limpiarla de sus contaminantes (Restrepo,
Sánchez, 2007).
A principios de los 80’s, científicos libaneses descubrieron que la radiación solar puede
desinfectar el agua. Sin embargo este descubrimiento no se desarrolló sino hasta los 90’s,
cuando el Instituto Federal Suizo de Ciencias Acuáticas y Tecnología (EAWAG por sus
siglas en alemán) decidió desarrollarlo. Se hizo un equipo multidisciplinario y este concepto
fue puesto a prueba para su aplicación real. Los análisis demostraron que era efectivo,
amigable con la salud y accesible. (Fundación SODIS, 2015).
Como se puede observar en la Ilustración 1, el método básico SoDis consiste en llenar
contenedores transparentes con agua contaminada y exponerla directamente en la radiación
Ilustración 1.-Método básico SoDIs. Fuente: LUZI y MEIERHOFER (Fundación SODIS & EAWAG/SANDEC)
solar por 6 horas o 2 días en caso de días nublados. Los contenedores pueden ser de vidrio o
de plástico (PET, tereftalato de polietileno). Se recomienda que se ingiera el agua tratada en
las próximas 24 horas de su tratamiento para que no se regeneren los patógenos.
La irradiancia sobre la atmósfera terrestre es de 1367 W m-2, parte de está radiación que llega
a la superficie terrestre es en rayos UV. Los rayos UV se pueden dividir en 3 categorías
dependiendo de su longitud de onda, estas son: UV-A (400-315nm), UV-B (315-280nm) y
UV-C (280-100nm). Entre menor sea la longitud de onda, mayor es la frecuencia lo que
resulta a mayor energía. Los rayos UV pueden modificar el ADN, sin embargo, debido a la
capa de ozono no llegan los rayos de altos niveles de energía.
Los rayos UV-A con longitudes de onda cerca de la luz visible, no tienen la energía suficiente
para modificar el ADN directamente, no obstante, en el agua pueden formar especies
reactivas de oxígeno (ERO) como son oxígeno singlete (O2), hiperóxido (O2-), peróxido de
hidrógeno (H2O2) y radical hidroxilo (HO). Estos se producen por la excitación de
fotosensibiladores endógenos dentro de las células como porfirinas, flavinas, quinonas,
NADH (Nicotinamida Adenina Dinucleótido)/NADPH (Nicotinamida Adenina
Dinucleótido Fosfato), entre otros. Una vez formados estas ERO pueden dañar el ADN, la
oxidación de amino ácidos en proteínas, la oxidación de ácidos grasos poliinsaturados en
lípidos. Además, los fotosensibiladores endógenos naturales (ácidos húmicos y clorofila)
presentes en la superficie del agua pueden absorber la radiación solar, los cuales pueden
reaccionar con oxígeno y producir ERO. Cuando el agua alcanza temperaturas mayores de
45°C se ha visto efecto sinérgico de los procesos de inactivación entre lo óptico y lo térmico,
lo cual inhibe los mecanismos de reparación de ADN. (McGuigan, 2012)
Puede haber casos en donde SODIS no se lleve a cabo por diferentes razones, dependiendo
de las condiciones del clima y del agua. Como se puede observar en la Tabla 1, SODIS puede
tratar agua con diferentes virus, bacterias, fungi, protozoos y helmintos.
En el desarrollo de este sistema se han implementado diversas tecnologías que conjuntan y
mejoran la eficiencia de funcionamiento.
Entre los dispositivos más utilizados se encuentran los colectores solares; son dispositivos
que aprovechan la energía proveniente del sol en un área de captación expuesta a la radiación
y que transfiere dicha radiación a un fluido que se necesita calentar, en este caso hasta la
temperatura necesaria para potabilizar el agua. (Méndez y Cuervo, 2008).
Microbio Especie Microbio Especie
Bac
teri
a
Campylobacter jejuni
Vir
us
Bacteriophage f2
Enterococcus sp. Encephalomyocarditis virus
Enteropathogenic E.
Colli
Polio virus
Mycobacterium avium Rotavirus
Mycobacterium
intracellulare
Noro virus
P. aeruginosa
Salmonella typhi
Pr
oto
zo os A. polyphaga (cyst)
Existen varios tipos de colectores solares y difieren entre sí, en la capacidad de
transferir calor a un fluido, es decir dependiendo de su sistema de captación se puede llevar
un fluido a diferentes temperaturas. (Fernández, 2008). Se presentan algunos diseños de
colectores para su análisis general y comparativo de funcionamiento.
Cajas de efecto invernadero
Se tiene un recipiente de color negro que absorbe la radiación solar y tiene un vidrio
inclinado sobre el recipiente donde el agua que cambió de fase se adhiere al vidrio más frio
y se condensa, cediéndole calor al mismo; por acción de la gravedad esta agua se desplaza
lentamente hasta un recipiente para acumularse y ser usada posteriormente para consumo
humano.
Esta tecnología es buena pero se necesita tener un área de captación grande y el
tiempo total de potabilización es más extenso que los demás modelos. (Trobajas, 2012). Ver
Ilustración 2.
S. typhimurium C. parvum (oocyst)
Shigella dysenteriae
Type 1
Entamoeba sp. (cyst)
Shigella flexneri Giardia sp (cysts)
Streptococcus faecalis
Staphylococcus
epidermidis
Helminto
Ascaris sp (ova)
Vibria cholerae
Yersinia enterocolitica
Fungi
C. albicans
Fusarium sp.
Tabla 1.-Especies de Microorganismos en aguas contaminadas que pueden ser
inactivadas por SODIS. (McGuigan, 2012)
Ilustración 2.-Diseño Caja de Efecto Invernadero
Placa plana
Estos colectores tienen un área de captación expuesta al sol de color negro para absorber la
radiación, encerrada en una caja de vidrio para evitar que se disperse el calor al ambiente,
pues las ondas infrarrojas luego de pasar el vidrio se quedan atrapadas dentro de la caja
creando un efecto invernadero. En la zona de captación hay un serpentín de tubos de cobre,
también de color negro, que absorben calor y lo transfiere a un fluido que circula por ellos a
más baja temperatura generando un diferencial térmico al transferir el calor al fluido, hasta
equilibrarlo, es decir igualar su temperatura a la de la placa; esta temperatura debe ser
suficiente para que el fluido llegue a evaporarse o sostener su temperatura para eliminar
bacterias o sustancias que se encuentren disueltas en él. (Ibáñez y Rosell, 2005).
Las ventajas de este sistema se encuentra en la posibilidad para que recircule el fluido
y le transfiera el calor al agua a potabilizar.
Al utilizar sistemas aislados térmicamente se pueden obtener mayores temperaturas
y sostener el fluido a presión constante para evaporarlo, aunque al ser un sistema más
complejo su costo puede ser más elevado. (Madrid, 2009 y Goulding, 2012). Ver Ilustración
3.
Ilustración 3.-Diseño Colector de Placa Plana
Concentrador solar
Utilizan principios ópticos de reflexión para concentrar la radiación solar sobre una zona
específica comúnmente llamado foco, donde se puede transferir al fluido por diferencial
térmico la energía radiante del sol, hasta hacerlo cambiar de fase para limpiarlo. (Sánchez y
Galviz, 2007).
Un colector tiene la capacidad de obtener mayores temperaturas que los de caja,
efecto invernadero y placa plana, puede ser más eficiente que los otros métodos antes
mencionados si se desarrolla un método eficiente para transferir el calor al fluido. Ver
Ilustración 4.
Ilustración 4.-Diseño Concentrador Solar Parabólico.
Concentrador de Canal Parabólico (CCP)
El CCP es una parábola donde en el foco se encuentra un tubo de borosilicato donde fluye el
fluido térmico, que en este caso sería el agua a tratar. Las ventajas que presenta son:
Alcanza altas temperaturas
Bajo costo
Estructura ligera
Alto rendimiento
Antecedentes
Salas en 1997 aprovecho la radiación solar (UV-A) en la inactivación del Vibrio cholera en
agua para consumo humano, estos factores condicionan en gran medida la eficiencia del
proceso. Utilizó botellas con agua de una capacidad de tres litros y se expusieron al sol
durante 6 horas a la radiación directa del sol, logrando reducir de entre 92% y 99% de
coliformes se inoculo Vibrio cholera con temperatura constante de 30°C se necesitaron
100Wh/𝑚2.
En el 2002 Galarza, utilizo nano partículas TiO₂ en sustratos de SiO₂ para observar
la desinfección fotocatalítica, se obtuvieron mejores resultados que al solo utilizar botellas
de PET pintadas de negro. La reducción de coliformes termo tolerantes con concentración
Ilustración 5.- Concentrador de Canal Parabólico
inicial de 920 después de 30 min con radiación promedio de 700W/𝑚2 se redujeron hasta
350 (Se utilizó la técnica de número más probable).
En el 2004 en Chihuahua, Martín-Domínguez y colaboradores demostraron que los
factores más importantes del método de SoDis son la radiación recibida y la calidad del agua,
la temperatura tiene un papel menos importante en la desactivación de patógenos con
temperaturas de 15°C. De las 117 muestras que hicieron, se logró un 25% de éxito, al alcanzar
los estándares de la NOM-127-SSA1-1994.
El mejor resultado obtenido fue de 1NPM (Número Más Probable) de Coliformes
Totales (CT) por cada 100mL en 4 horas usando un Doble Concentrador Parabólico (DPB)
al año siguiente Gonzales A. y colaboradores implementaron un concentrador de paredes
planas accesible y de bajo costo adecuado para tres botellas de dos litros, con objetivo de
reducir el tiempo de incidencia de radiación en las botellas de 6 a 3 horas eliminando un total
de 105 coliformes totales con una radiación de 3000W-h/ 𝑚2 tal radiación se consigue en
cualquier parte de México. Entre las 10:00 y 15:00 horas.
Un tiempo después en España, se acortó el tiempo en el 2011, Polo-López y
colaboradores comprobaron que doblegando la dosis mínima letal de UV (108kJ m-2) para E.
colli se pudo tratar 2.5 L de agua en una hora además de inhibir el re-crecimiento de las
bacterias por 48 horas. Usaron un Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) para acelerar
el proceso.
En 2012 Ernesto Castrillón, realizo un análisis entre los diversos métodos de
desinfección solar, comparando su desempeño con la temperatura alcanzada y las bacterias
inactivadas, entre estos sistemas se encuentran, cajas de efecto invernadero, placa plana,
colector cilíndrico parabólico, sistemas de osmosis inversa y filtrado por membranas, obtuvo
los mejores resultados con el concentrador cilíndrico parabólico alcanzando temperaturas
mayores a 100°C hasta evaporar, se eliminaron contaminantes como; algas, protozoarios,
hongos, microorganismos.
Objetivo general
Implementar un sistema de CCP para la desinfección solar de aguas provenientes de
embalses, para su consumo en zonas rurales.
Objetivos específicos
Caracterizar el agua proveniente de pozos.
Determinar los patógenos o UFC presentes en el agua proveniente de pozos.
Diseñar las condiciones óptimas de un sistema CCP para reducir el contenido de
patógenos
Analizar el potencial del agua como uso de agua potable después del tratamiento, así
que cumpla los parámetros de la NOM-127-SSA1-1994.
Metodología
Caracterización del agua
La caracterización del agua es lo primer paso a considerar para la realización de SoDis.
Consiste en conocer la composición física, química y biológica del agua. Para eso se
comenzará determinando datos generales del embalse como, dimensiones, procedencia del
agua del embalse, y especificaciones de su uso.
Seguidamente se determinará las fuentes de contaminación, para eso se consideran
las actividades industriales, agrícolas, mineras y poblaciones cercanas al embalse. Una vez
identificadas se investigará que tipo de concentraciones implican dichas actividades.
Lo siguiente, se precisará el tipo de método apropiado para el muestreo. Debido a que
es un embalse se recomienda usar el método de muestreo de transectas, un área muestral
rectangular, utilizando un muestreador Van Dorn para sacar muestras de agua desde la
superficie hasta el fondo. Se conservarán las muestras en frío y se transportarán al lugar
donde se llevará a cabo el análisis.
Debido a que SoDis sólo desactiva patógenos, se debe analizar el agua para
diagnosticar si es potencial para su este tratamiento, se identifica si contiene otros
compuestos no deseados como metales pesados. Como se puede observar en la Tabla 2, para
cuantificar los patógenos se usará el método Número Más Probable (NMP).
Característica Método
Organismos patógenos Número Más Probable (NMP)
Demanda Química de Oxígeno (DQO) Ensayos de evaluación rápida de DQO
Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) Manométrico Hach Model 2173
Fósforo Total Standard Methods 17va ed. 1989
Nitrato y Amonio Técnicas colorimétricas
Iones presentes Cromatografía de intercambio iónico
Turbiedad Turibidímetro
pH Potenciómetro
Tabla 2.- Métodos que se emplearán para la Caracterización del agua de embalses.
Diseño de un sistema CCP
Los Concentradores de Canal Parabólico (CCP) pueden estar orientados de dos formas: este-
oeste, o de norte-sur y su inclinación depende de la latitud del lugar.
Se diseñará un dispositivo modular que alcance temperaturas de hasta 70°C, sin procesos de
complicaciones de manufactura.
Ilustración 6. Partes de un Concentrador de Canal Parabólico.
Al analizar los resultados obtenidos en estudios preliminares se infiere la implementación del
colector, como complemento de SoDis. Los factores a considerar son; área de captación del
sistema, posición geográfica, incidencia de kWh/m2 estación del año, temperaturas obtenidas.
La radiación promedio que incide en cualquier región de México es de 760 W/𝑚2
durante las 5 horas pico de radiación. Este dato nos ayuda a calcular la cantidad de energía
que puede ser aprovechada por el canal parabólico que tiene un área de captación 3.7574
𝑚2, el tubo absorbente con diámetro de 0.05m, el coeficiente de emisividad de Las placas
reflectoras de aluminio anodizado de 0.88 podemos determinar la cantidad de calor que
puede ser aprovechada mediante la ecuación:
𝑄 = 𝐾𝜖𝐴
𝑄 = 760 𝑊/ 𝑚2 ∗ 0.88 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 3.75𝑚2 = 𝟐𝟓𝟎𝟖 𝑊
Para llevar un litro de agua a temperaturas de 100°C habrá que aplicar una cantidad
de 87.08 W lo cual indica que en un día promedio con radiación media podrían tratarse
28.80 litros de agua embalsada en 5 horas y eliminar contaminantes como; algas,
protozoarios, hongos y microorganismos.
Agua Potable
Una vez realizado la desinfección solar se evaluará la cantidad de CT se verificará que
cumpla los parámetros establecidos por la NOM-127-SSA1-1994.
La cual establece la cantidad permitida de organismos coliformes véase Tabla 3.
Características Cantidad permisible
Organismos coliformes totales 2 NMP/100 ml
2 UFC/100 ml
Organismos coliformes fecales No detectable NMP/100 ml
Cero UFC/100 ml
Tabla 3.-Cantidad permisible de Organismos coliformes por la NOM-127-SSA1-1994
Resultados y Discusión
La implementación del concentrador de canal parabólico en el proceso de desinfección de
agua embalsada resulto factible pues se alcanzan las temperaturas requeridas.
El diseño del CCP es favorable para el alcance de 28 L de agua por 5 horas al día.
Es necesario realizar pruebas para determinar un área rural donde pueda ser implementada.
Conclusiones
Se concluye que la utilización de un concentrador de canal parabólico compuesto para la
desinfección de agua embalsada es factible, las condiciones del concentrador son óptimas y
se alcanza las temperaturas necesarias.
Referencias
1. Comisión Nacional del Agua. (2013). Estadísticas del Agua en México. (2013).
México.
2. Fundación SODIS. (2015). Fundación SODIS, Safe Drinking Water For All.
Obtenido de History of SODIS: http://www.sodis.ch/about/geschichte/index_EN
3. Guerrero, J. E. (2012). Potabilizar agua con energía solar, una alternativa para las
comunidades más alejadas de los centros urbanos.
4. McGuigan, K. (2012). Solar water disinfection (SODIS): A review from bench-top
to roof-top. Hazardous Materials, 235-236, 29-46.
5. Prüss-Ustün, A. (2014). Burden of disease from inadequate water, sanitation and
hygiene in low- and middle-income settings: a retrospective analysis of data from 145
countries. Tropical Medicine and International Health, 19 (8), 894-905.
6. World Health Organization and UNICEF Joint Monitoring Programme [JMP].
7. (2014). Progress on Drinking Water and Sanitation, 2014 Update. Obtenido de
http://apps.who.int/iris/bitstream/10665/112727/1/9789241507240_eng.pdf
8. Ibáñez, M., & Rosell, J. (2005). Tecnología Solar. Madrid:
9. AMV Ediciones.
10. Restrepo (2007). Avances en investigación y desarrollo en agua y saneamiento para
el cumplimiento de las metas del milenio. Cali: Universidad del Valle.