Resultados Finales Del Proyecto OEAAE141(Internet)

Resultados finales del Proyecto OEA/AE141: investigación, desarrollo, validación y aplicación de tecnologías solares para la potabilización de agua en zonas rurales aisladas de América

Latina y el Caribe

Final results of the OAS/AE/141 Project: research, development, validation and application of solar technologies for water potabilization in isolated rural zones of Latin America

and the Caribbean

Argentina – Brasil – Chile – México – Perú – Trinidad & Tobago

Editora/Editor: Marta I. Litter Noviembre de 2006 November 2006

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Índice Prefacio 7 Foreword 9 Capítulo 1 / Chapter 1 Tecnologías económicas basadas en la fotocatálisis heterogénea y el hierro cerovalente para la remoción de arsénico en la Llanura Chacopampeana, Argentina Low-cost technologies based on heterogeneous photocatalysis and zerovalent iron for arsenic removal in the Chaco-Pampean Plain, Argentina María E. Morgada de Boggio, Ivana K. Levy, Miguel Mateu y Marta I. Litter

11 Capítulo 2 / Chapter 2 Aguas tratadas por fotólisis y fotocatálisis heterogénea para inactivación bacteriana Waters treated by photolysis and heterogeneous photocatalysis for bacterial inactivation María C. Soria, Priscila A. Powell y María C. Apella 39 Capítulo 3 / Chapter 3 Aplicación de la FH en la desinfección de aguas usadas para consumo doméstico en la comunidad de Riacho de la Serra en São José do Sabugi, PB, Brasil Application of HP in the disinfection of waters used for human consumption in the community of Riacho da Serra in São José do Sabugi, PB, Brazil Wilson F. Jardim y Cassiana Montagner

63 Capítulo 4 / Chapter 4 Aplicación de SODIS en comunidades rurales de Paraíba, Brasil Application of SODIS in rural communities of Paraíba, Brazil Beatriz Ceballos

99 Capítulo 5 / Chapter 5 Remoción de arsénico de aguas naturales del río de Camarones y su utilización para consumo humano, mediante la tecnología SORAS Modificada-Hierro Cero

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Removal of arsenic from natural waters of the Camarones River and their use for human consumption by the modified SORAS – zerovalent iron technology Lorena Cornejo, Hugo Lienqueo, María Arenas, Jorge Acarapi, Héctor Mansilla y Jorge Yañez

139 Capítulo 6 / Chapter 6 Transferencia de la metodología SORAS Modificada – Hierro Cero a los poblados que carecen de agua potable de la Comuna de Camarones, Arica, Chile Transference of the modified SORAS – zerovalent iron methodology to communities that lack drinking water in the Commune of Camarones, Arica, Chile Lorena Cornejo, Hugo Lienqueo, María Arenas, Jorge Acarapi, Héctor Mansilla y Jorge Yañez

159 Capítulo 7 / Chapter 7 Desinfección de Agua mediante SODIS y Fotocatálisis Solar en comunidades de Juan N. Álvarez, Estado de Guerrero, México Water disinfection by means of SODIS and solar photocatalysis in communities of Juan N. Álvarez, State of Guerrero, Mexico Ma. Teresa Leal Ascencio, Silvia Gelover, Karina Reyes y Luis A. Gómez

199 Capítulo 8 / Chapter 8 Desinfección de agua mediante SODIS y Fotocatálisis Solar en la comunidad de San José de los Laureles, Estado de Morelos, México Water disinfection by SODIS and Solar Photocatalysis in the community of San José de Los Laureles, State of Morelos, Mexico Ma. Teresa Leal Ascencio, Silvia Gelover, Karina Reyes y Luis A. Gómez

227 Capítulo 9 / Chapter 9 Implementación de la remoción de arsénico por oxidación solar en México Implementation of arsenic removal by solar oxidation in Mexico S. Gelover, M. T. Leal Ascencio y J.B. Tonnerieux

243 Capítulo 10 / Chapter 10 La experiencia peruana en la desinfección y descontaminación de agua utilizando energía solar The Peruvian experience with water disinfection and decontamination using solar energy

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Clido Jorge, Jackelin Venero, José Diaz, Edward Carpio, Patricia Zúñiga, Dora Maurtua, Ruth Cristóbal, Patricia Galarza, María Quintana, Silvia Ponce, José Solís, Juan Rodríguez y Walter Estrada

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Capítulo 11 / Chapter 11 El potencial de SODIS, métodos similares a SODIS y nanopartículas de titanio para la desinfección de agua en comunidades rurales de Trinidad y Tobago The potential of SODIS, SODIS-like methods and titanium dioxide nanoparticles for water disinfection in rural communities of Trinidad and Tobago R. Saunders, S. Ali Shah and R. Clarke

335 Capítulo 12 / Chapter 12 Acciones de difusión del Proyecto OEA/AE/141, “Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina” Dissemination activities of the OAS/AE 141 project, “Low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters in rural areas of Latin America” Luciana de la Fuente, María Cecilia Soria, Miguel A. Blesa y Marta I. Litter

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María E. Morgada de Boggio, Ivana K. Levy, Miguel Mateu, Marta I. Litter

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Prefacio

Marta I. Litter

Comisión Nacional de Energía Atómica, Unidad de Actividad Química, San Martín, Provincia de Buenos Aires, Argentina

[email protected]

Con la publicación de este volumen culmina el Proyecto OEA/AE/141, desarrollado desde 2002 hasta 2006. Durante estos años, expertos en tratamiento de aguas por Procesos Avanzados de Oxidación hemos trabajado intensamente en validar y difundir tecnologías de bajo costo para potabilizar agua en localidades con escasos recursos hídricos y económicos. Con ello intentamos ofrecer soluciones a los graves problemas que enfrentan los países a los cuales pertenecemos: Argentina, Brasil, Chile, México, Perú y Trinidad y Tobago. Las tecnologías propuestas fueron la Desinfección Solar (SODIS), la Remoción de Arsénico por Oxidación Solar (SORAS) y la Fotocatálisis Heterogénea Solar (FHS). Las mayores ventajas de estas tecnologías radican en que son dependientes únicamente de la energía solar y fácilmente aplicables a regiones como las latinoamericanas, no requieren equipamiento o desarrollos tecnológicos sofisticados o caros, ni poseen altos costos de energía.

El trabajo comenzó buscando los sitios más apropiados para la realización del proyecto en cada país, y continuó con trabajos de laboratorio y de campo. En el camino se han formado recursos humanos jóvenes altamente especializados, se han dictado cursos, organizado reuniones y seminarios y se ha efectuado trabajo social. Se han establecido contactos con autoridades y se ha difundido el proyecto entre la prensa de los distintos países. Creemos que el esfuerzo puesto ha sido muy grande y que, afortunadamente, se han alcanzado las metas propuestas, en particular, instalar el tema en la sociedad. Sin embargo, sabemos que la tarea apenas comienza, no solamente en el aspecto científico-técnico, sino más que nada en los aspectos sociales. Es evidente que el camino a recorrer es aún muy largo.

Agradecemos el financiamiento recibido a través de la Organización de Estados Americanos y de nuestras propias Instituciones, que nos permitió llevar a cabo el Proyecto. Pero más importante es el hecho de haber podido acumular experiencia válida para seguir transitando este tipo de proyectos, lo cual además asegura la sustentabilidad del mismo y el pronto retorno de la inversión puesta en ciencia y tecnología. En pequeños grupos o aislados, o uniéndonos a otros grupos de trabajo en nuestros países o en otros, estamos seguros de que nuestra tarea continuará en la misma dirección.

Los principales resultados han conducido al desarrollo y posterior validación de las tecnologías económicas mencionadas para desinfectar y descontaminar aguas en regiones pobres del Tercer Mundo. Como ya hemos dicho en otros volúmenes, la contaminación del agua induce serios problemas sociales, económicos y de salud. Como dato relevante, las muertes infantiles por enfermedades asociadas al agua rondan cerca

Resultados finales del Proyecto OEA/AE141: investigación, desarrollo, validación y aplicación de tecnologías solares para la potabilización de agua en zonas rurales

aisladas de América Latina y el Caribe

Prefacio

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de los 100.000 casos anuales en América Latina. Nuestro proyecto se ha orientado a las zonas rurales, que padecen, además del insuficiente acceso al suministro de agua potable, un alto grado de aislamiento y dispersión, así como condiciones de vida, prestaciones de salud y prevención de enfermedades muy inferiores en comparación con las urbanas, con el agravante del uso continuo de productos agrícolas de toxicidad importante. La presencia de arsénico en aguas subterráneas y su derivación clínica, el Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico tornan la situación aún más grave. En este último aspecto, el problema dista de haber sido reconocido en muchos casos cabalmente por las autoridades competentes.

Reiteramos como decíamos en nuestras publicaciones anteriores (Litter y Mansilla, 2003; Litter, 2002; Litter y Mansilla, 2003; Litter y Jiménez González, 2004) que como científicos y tecnólogos de esta región, pero por sobre todo, como habitantes de la misma, entendemos que es crucial prestar atención a los ingentes problemas que padecen una gran parte de nuestros coterráneos. Mediante el empleo de nuestros conocimientos, deseamos contribuir con soluciones técnicas y educativas que culminen en una mejora de la calidad de vida de la población de América Latina. No se pretende con esto, repetimos, solucionar el problema del agua – que es misión permanente de los gobiernos de la región – sino sólo paliar la situación para evitar el agravamiento de la degradación de la calidad de vida de los habitantes.

Buenos Aires, noviembre de 2006

REFERENCIAS

M.I. Litter y H. Mansilla (ed.) (2003): Desinfección solar de aguas en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-0-X. Disponible en: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter (ed.) (2002): Relevamiento de comunidades rurales de América Latina para la aplicación de tecnologías económicas para potabilización de aguas. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2002. ISBN 987 43 5412 7. Disponible en: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter y H. Mansilla (ed.) (2003): Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina, Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-1-8. Disponible en: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter y A. Jiménez González (ed.) (2004): Avances en tecnologías económicas solares para desinfección, descontaminación y remoción de arsénico en aguas de comunidades rurales de América Latina (métodos FH y RAOS), Proyecto OEA/AE141. Digital Grafic, La Plata 2004. ISBN 987-95081-9-X.


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Foreword

Marta I. Litter

Comisión Nacional de Energía Atómica, Unidad de Actividad Química, San Martín, Provincia de Buenos Aires, Argentina

[email protected]

The edition of this volume marks the end of Project OAS/AE/141, which was active between 2002 and 2006. During these years, as experts in the treatment of waters by Advanced Oxidation Processes, we have worked very hard to validate and disseminate low-cost technologies for the disinfection of waters in communities with scarce availability of hydric and economic resources. With this we intend to offer solutions to the serious problems with which our countries are faced: Argentina, Brazil, Chile, Mexico, Peru, and Trinidad and Tobago. The technologies proposed were Solar Disinfection (SODIS), Arsenic Removal by Solar Oxidation (SORAS) and Solar Heterogeneous Photocatalysis (SHP). The greatest advantages of these technologies are that they only depend on solar energy, they can be easily applied in regions such as the ones in Latin America, they do not require sophisticated or expensive equipment or technological developments, and they do not consume a lot of energy.

Our work began with the search for the most suitable places for the development of the project in each country, and it continued with laboratory and field activities. Along the road, highly specialized young human resources have been formed, courses have been given, meetings and seminars have been held, and social work has been done. Contacts have been established with authorities and the project has been communicated to the press in the different countries. We believe that this has been a major effort and that, luckily, the goals set have been achieved, particularly in regard to generating social awareness. However, we know that the task is only beginning, not only from a technical and scientific point of view, but mainly from a social perspective. It is evident that the road ahead is still long.

We are thankful for the funds received through the Organization of American States and our local Institutions, which allowed us to carry out the activities of the Project. But more important than that is the fact that we were able to accumulate experience that will allow us to continue working in this type of projects, which in addition ensures their sustainability and a quick return of the investment made on science and technology. In small or isolated groups, or joining forces with other work groups from our own countries or from other countries, we are certain that our task will continue in the same direction.

The main results have led to the development and subsequent validation of the mentioned low-cost technologies to disinfect and decontaminate waters in poor regions of the Third World. As already mentioned in previous volumes, water contamination causes severe social, economic and health problems. As a relevant data, child deaths caused by water-borne diseases are around 100,000 cases per year in Latin America. Our project

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the Caribbean

Foreword

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has been focused on rural areas which, in addition to an insufficient supply of drinking water, suffer from a great level of isolation and scattering, and their life conditions and health and disease prevention services are significantly inferior compared to those available in urban areas, with the aggravating issue of a continuous use of highly toxic agricultural products. The presence of arsenic in groundwater and its clinical consequence, Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism, make the situation even worse. In this last regard, in many cases the problem is far from being fully recognized by competent authorities.

Again, as already mentioned in our previous publications (Litter and Mansilla, 2003; Litter, 2002; Litter and Mansilla, 2003; Litter and Jiménez González, 2004), we as scientists and technologists, but above all as inhabitants, of this region, understand that it is crucial that the enormous problems suffered by a large portion of our fellow countrypeople are attended to. By employing our knowledge, we wish to contribute with technical and educational solutions that lead to an improvement in the quality of life of the Latin American population. Once again, this will not solve the water problem – which is a permanent mission for the governments of the region – but just serve as a means to palliate the situation in order to avoid a greater degradation of the quality of life of the inhabitants.

Buenos Aires, November 2006

REFERENCES

M.I. Litter and H. Mansilla (ed.) (2003): Desinfección solar de aguas en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-0-X. Available at: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter (ed.) (2002): Relevamiento de comunidades rurales de América Latina para la aplicación de tecnologías económicas para potabilización de aguas. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2002. ISBN 987 43 5412 7. Available at: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter and H. Mansilla (ed.) (2003): Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina, Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-1-8. Available at: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter and A. Jiménez González (ed.) (2004): Avances en tecnologías económicas solares para desinfección, descontaminación y remoción de arsénico en aguas de comunidades rurales de América Latina (métodos FH y RAOS), Proyecto OEA/AE141. Digital Grafic, La Plata 2004. ISBN 987-95081-9-X.


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Tecnologías económicas basadas en la fotocatálisis heterogénea y el hierro cerovalente para la remoción de arsénico en la Llanura Chacopampeana, Argentina

María E. Morgada de Boggio1, Ivana K. Levy1, Miguel Mateu1, Marta I. Litter1,2

1Unidad de Actividad Química, Comisión Nacional de Energía Atómica, Buenos Aires, Argentina

2Universidad de Gral. San Martín, Buenos Aires, Argentina

[email protected]

RESUMEN

Las aguas de la llanura Chacopampeana, en la República Argentina, contienen niveles de arsénico que exceden los requeridos por las normativas nacional e internacional en aguas de bebida. La situación es aun más seria en áreas rurales, donde una baja calidad de agua, pobreza y desnutrición son factores causantes de una alta incidencia de HACRE (hidroarsenicismo crónico regional endémico).

En este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de tecnologías simples y económicas basadas en la Fotocatálisis Heterogénea (FH) y el Hierro Cerovalente (ZVI) para la remoción de As (III, V o ambos).

En los ensayos de FH, se utilizaron botellas plásticas de PET recubiertas en su superficie interna con una delgada película de TiO2 y expuestas a la radiación UV solar o artificial. Se obtuvo más de 80% de remoción de arsénico irradiando soluciones arsenicales sintéticas durante 6 hs. con luz UV artificial y se agregó posteriormente hierro en forma de alambre de enfardar. El tratamiento de aguas naturales (Santiago del Estero) expuestas a la radiación solar con ulterior agregado de sal férrica resultó en más


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del 94% de eficiencia de remoción, con concentraciones de arsénico bien por debajo de los estándares nacionales.

En los ensayos de ZVI, las soluciones arsenicales se introdujeron en botellas PET. El hierro se agregó en forma de lana de acero o de alambre de enfardar. La irradiación solar, tanto en aguas sintéticas como en muestras naturales parece mejorar definitivamente la remoción, evitando el uso de altas cantidades de hierro.

La presencia de luz, oxígeno y la masa de hierro agregado son factores a tener en cuenta en el estudio de ambas tecnologías.

INTRODUCCIÓN

Con una extensión aproximada de 106 km2, la llanura Chacopampeana constituye tal vez una de las más amplias regiones del mundo que presentan altísimas concentraciones de arsénico en aguas subterráneas. En las provincias de Córdoba, La Pampa, Santa Fe y Buenos Aires, el arsénico esta presente en concentraciones muy por sobre los 50 µg L-1, límite establecidos en 1994 por el Código Alimentario Argentino, CAA, y sobrepasa ampliamente el valor establecido por la Organización Mundial de la Salud, OMS (10 µg L-1). En la provincia de Córdoba, se detectaron concentraciones de arsénico en el rango 6–11500 µg L-1 (media 255 µg L-1) (Nicolli y col., 1989). En un estudio de la cuenca del río Carcarañá (provincias de Córdoba y Santa Fe), se determinaron concentraciones entre <10–720 µg L-1 (media 43-201 µg L-1) (Nicolli y Merino, en prensa), y concentraciones en el rango <4–5280 µg L-1 (media 145 µg L-1) se observaron en la provincia de La Pampa (Smedley y col., 1998). En aguas subterráneas de la provincia de Tucumán se registraron valores entre 12–1660 µg L-1 (media 46 µg L-1) (Nicolli y col., 2001).

Las aguas subterráneas presentan frecuentemente alta salinidad y la concentración de arsénico se correlaciona con otros aniones y oxoaniones presentes (F, V, HCO3, B, Mo). Las aguas son predominantemente oxidantes, de manera que el arsénico está presente principalmente como As(V) en la forma de H2AsO4

- y HAsO42- a pH neutro

(Smedley y col., 1998). Los óxidos metálicos presentes en los sedimentos (especialmente óxidos e hidróxidos de Fe y Mn) son la principal fuente de arsénico disuelto, generado a partir de la desorción a pH altos (Smedley y col., 1998), aunque la disolución directa de roca volcánica ha sido también citada como una fuente potencial (Nicolli y col., 1989; Nicolli y Merino, en prensa). La movilidad del arsénico en suelos y aguas subterráneas depende fuertemente de las condiciones redox del medio, siendo éste menos soluble en un ambiente oxidante donde predomina el As(V).

En zonas rurales, la población no tiene acceso a una red de distribución de agua y gas, ni tampoco a colección de aguas residuales. La falta de un sistema de distribución de agua potable y la ausencia de cuerpos de agua superficiales hace necesaria la extracción de agua subterránea, ya sea de pozos profundos (más de 100 m) o de pozos someros (hasta 20 m), típicamente extraída y consumida sin un tratamiento y/o acondicionamiento previo. La composición química de las aguas de pozos someros y profundos difiere notablemente. En general, la calidad del agua es pobre, especialmente


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en la freática, debido al alto contenido bacteriológico y de nitratos, boro, fluoruro y elementos traza como manganeso, flúor y arsénico (Nicolli y col., 2001).

La pobre calidad del agua, sumada a las condiciones de desnutrición y pobreza que afectan estas zonas, son causantes de enfermedades hídricas, incluyendo HACRE (hidroarsenicismo crónico regional endémico).

Diversos métodos han sido utilizados en la remoción de arsénico del agua de bebida, incluyendo intercambio aniónico, precipitación, flotación y adsorción (Edwards, 1994), (Hering y col., 1997; Harper y Kingham, 1992). La atención se centró recientemente en el estudio de las Tecnologías Avanzadas de Oxidación (TAOs) basadas en la Fotocatálisis Heterogénea (FH) (Dutta y col., 2005; Ferguson y col., 2005) y el Hierro Cerovalente (ZVI) (Bang y col., 2005; Su y Puls, 2001) para la remoción de As (III, V o ambos) de aguas subterráneas.

La FH se basa en el uso de un semiconductor, TiO2, que bajo la acción de la luz UV presente en el espectro solar origina reacciones químicas tendientes a la mineralización de la materia orgánica (Litter, 2005; Domènech y col., 2004; Quici y col., 2005) la inactivación bacteriana (Ibáñez y col., 2003) y la transformación de metales tóxicos (Botta y col., 2002; Meichtry y col., enviado) Convenientemente soportado, el TiO2 puede ser introducido en botellas plásticas y, por irradiación solar, oxidar el As(III) a As(V). En un paso posterior, se agrega hierro de manera de inmovilizar el As(V) por adsorción y coprecipitación de los óxidos de hierro.

El ZVI ha sido extensamente estudiado en la remediación de contaminantes tales como compuestos orgánicos (Chang y Cheng, 2006; Bremner y col., 2006; Abinash y col., 2002) y metales (Rangsivek y Jekel, 2005; Cantrell y col., 1995; Blowes y col., 2000) en aguas subterráneas, y posee numerosas ventajas para la remediación de As. Las principales ventajas incluyen su bajo costo y la disponibilidad en zonas rurales, así como la simplicidad en el manejo. Los mecanismos de remoción de As(III) y As(V) involucran la formación de complejos de As(III) y As(V) sobre los óxidos de hierro formados in-situ como resultado de la corrosión del Fe(0).

Los objetivos del presente estudio fueron: (1) evaluar la eficiencia de la fotocatálisis heterogénea con TiO2 soportado con posterior agregado de hierro en la remoción de arsénico, (2) evaluar la eficiencia del hierro cerovalente en la remoción de arsénico y (3) evaluar la potencial aplicación de estas tecnologías en la remediación de aguas subterráneas contaminadas con arsénico en zonas rurales aisladas en la Llanura Chacopampeana, Argentina.

LOCALIZACIÓN

Al elegir las localidades donde fuese posible una aplicación de las tecnologías se tuvo en cuenta la existencia de núcleos poblacionales dispersos y no conectados a redes de provisión de agua potable, con condiciones socioeconómicas desfavorables. También se consideraron antecedentes de niveles altos de arsénico en aguas de consumo, y referencias a incidencia epidemiológica del HACRE, así como disponibilidad de niveles elevados de radiación solar durante la mayor parte del año y relativa facilidad de acceso a los sitios escogidos para realizar pruebas de campo.


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Un relevamiento preliminar indicó que resultaba apto para los objetivos el sector SE de la provincia de Tucumán, donde se extiende la cuenca hidrogeológica del río Salí. Las aguas que alberga son intensamente explotadas para consumo humano, industrial y riego, y constituyen la base del desarrollo urbano, agrícola e industrial del sector. La región de estudio está situada aproximadamente entre los paralelos 26°20’ y 28°30’ S y los meridianos 64°45’ y 65°30’ O, con numerosas vías de acceso. El clima de la región es subtropical con una estación seca entre mayo y septiembre. La precipitación media anual es de 800 mm y la temperatura media 19 °C. La zona posee niveles elevados de radiación solar.

La población de Los Pereyra, un pequeño asentamiento de 1000 habitantes sobre la Ruta Provincial Nº 327, entre las poblaciones Estación Aráoz y Los Ralos a 70 km al este de la ciudad de San Miguel de Tucumán entre la población de Estación Aráoz al sur y la Ruta Provincial Nº 303 al norte fue estudiada con mayor detalle debido a la detección de casos de HACRE, y resultó la mejor elección para encarar pruebas de campo. La falta de red de distribución de agua y la ausencia de cursos de agua superficiales destacados hace necesario extraer agua de pozos profundos y someros. El agua extraída presenta contaminación orgánica, microbiológica y As en concentraciones superiores al valor estipulado por la OMS. El fácil acceso por caminos vecinales, sumado a la proximidad de grupos técnicos de la Universidad de Tucumán, facilitó y abarató notablemente las pruebas de campo.

Además se realizaron pruebas con muestras provenientes de la provincia de Santiago del Estero. Las muestras de aguas naturales fueron extraídas de seis pozos ubicados en un área vecinal denominada Las Hermanas, que se encuentra ubicada en las cercanías de la ciudad capital de Santiago del Estero, a unos 7 km de la Ruta Nacional Nº 34, y entre las Rutas Provinciales Nº 11 y Nº 5. En una escala de mayor amplitud, la zona de muestreo pertenece al área de riego del río Dulce.

El río Dulce, es el más importante por las implicancias económicas y humanas de su recorrido. Nace en el límite entre Salta y Tucumán, y recorre el territorio tucumano con el nombre de río Salí. Penetra en la provincia de Santiago del Estero, tomando el nombre de río Dulce, en el Departamento Río Hondo, inundando el dique frontal de Río Hondo, atraviesa el departamento Río Hondo y se transforma en la línea divisoria de los departamentos Capital y Banda; en este recorrido, se encuentra el dique derivador de Los Quiroga, base del sistema de riego del área del río Dulce, que riega 110000 Has. en los departamentos, Capital, Banda y Robles. En este trayecto, los excesos de sus aguas son derivados hacia el río Salado por el canal Jume Esquina. Al sur de la ciudad de Santiago del Estero, el río Dulce comienza a bifurcarse, formando brazos paralelos en las crecientes que corren por el terreno aluvial plano, cuyos brazos más importantes se llaman río Viejo y río Saladillo. Su caudal depende de las lluvias estacionales y de su utilización en la producción de energía eléctrica. En verano, su caudal se incrementa, llegando a 900 m3 s-1. En su trayecto, recorre 13 departamentos (Río Hondo, Banda, Capital, Robles, Silípica, San Martín, Sarmiento, Loreto, Atamisqui, Avellaneda, Salavina, Mitre, Quebrachos y Rivadavia) cubriendo 41116 kilómetros cuadrados.

La región posee en general un clima continental, cálido, tal como corresponde al de las regiones subtropicales por estar situada entre las isotermas de 20 °C y 22 °C, con una variación desde el árido y semiárido hasta el subhúmedo continental, con una marcada estación seca, entre mayo y octubre, que se acrecienta de este a oeste. Las precipitaciones anuales oscilan entre los 500 y 950 mm en gran parte del territorio,


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produciéndose una disminución en sentido este-oeste. Se distinguen dos estaciones: lluviosa (de octubre a marzo) y seca (abril-septiembre). La presión atmosférica es de 763,5 mm de Hg y se registra en agosto, con una temperatura media de 17 °C; y la presión mínima absoluta, que corresponde al mes de octubre, es de 728 mm, con una temperatura media de 22 °C. El promedio mensual de lluvias en verano, es de 13 mm con una amplitud de 1,28 mm; en otoño es de 10 mm con una amplitud de 1,08 mm, en invierno 5,83mm y 0,83 mm de amplitud; y en primavera es de 8,95 mm y 1,05 mm de amplitud.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiales y métodos

Todos los reactivos químicos fueron de calidad analítica y se usaron sin purificar. Las soluciones stock de As(III) se prepararon a partir de NaAsO2 (Baker) y de As(V) a partir de NaH2AsO4.7H2O (Baker). Para la purificación del agua se usó un equipo Millipore Milli Q (resistividad = 18 MΩ.cm). Los experimentos se llevaron a cabo en botellas plásticas incoloras de polietiléntereftalato (PET) de 600 mL de capacidad, que originalmente contenían gaseosas. El volumen de solución tratado fue de 250 mL. En los sistemas de FH, la superficie interna de las botellas se recubrió con una película delgada de TiO2 mediante una sencilla técnica anteriormente reportada por el grupo (Meichtry y col., en prensa). El TiO2 (Degussa P-25) fue provisto por Degussa AG Alemania y usado sin pretratamiento. Las botellas se agitaron enérgicamente durante 1 minuto con el fin de oxigenar la solución, y se agitaron ligeramente antes de la toma de muestra. El Fe(III) se agregó como FeCl3 mientras que el Fe(0) se agregó en forma de alambre de enfardar y lana de acero comercial, ambos no galvanizados. Para el diagrama de difracción por rayos X se empleó hierro en polvo 99% (Mallinckrodt). Los experimentos de irradiación artificial se llevaron a cabo mediante una lámpara UV tubular de luz negra (Philips TLD/08, 15 W, 350 nm < λ < 410 nm, transmisión máxima a 366 nm).

El As(V) se determinó por la técnica del arsenomolibdato (Lenoble y col., 2003) el As total se determinó por oxidación del As(III) con permanganato de potasio, y el As(III) se calculó por diferencia. Se utilizó ((NH4)6Mo7O24.4H2O (Stanton), tartrato de antimonilo y potasio Baker y ácido L-ascórbico Sigma-Aldrich. El permanganato de potasio fue Riedel-de-Haen.

En aguas subterráneas, el As total se determinó mediante espectroscopía de emisión atómica por plasma de acoplamiento inductivo, ICP-OES, con un equipo Perkin-Elmer Optima 3100 XL o mediante fluorescencia de rayos X por reflexión total, TXRF, a partir de un generador PANalytical PW3830 X-Ray Generator. Ambas técnicas permiten un análisis elemental no especiado, con sensibilidades del orden de µg L-1 (ppb), dependiendo del número atómico.

Además se realizó la caracterización por medio de la difracción de rayos X de los materiales utilizados como fuente de hierro: lana de acero y alambre de enfardar. Los difractogramas se representan en la Figura 1.


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10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

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alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

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150

200

250

300

350

400

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[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

lana de acero

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

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300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

lana de acero

Experimentos de remoción de arsénico

Caracterización del material de hierro empleado

Como puede observarse en la Figura 1, tanto la lana de acero como el alambre de enfardar están constituidos casi en su totalidad por hierro puro, con trazas de Al y silicato de calcio en el caso del alambre. En la Figura 1 se indica el diagrama correspondiente a hierro en polvo de alta pureza para su comparación.

Figura 1. Difractograma de los materiales utilizados como fuente de provisión de hierro

FH en aguas arsenicales sintéticas

Soluciones sintéticas de As(III) de 1000 µg L-1 se colocaron en botellas recubiertas con TiO2 y se expusieron a la radiación solar durante 6 horas, agregando alambre de enfardar en un trozo o fraccionado luego de la irradiación y tomando una muestra a las 24 hs. En algunos experimentos, el alambre se agregó al iniciar la irradiación. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 1, observándose que no existe diferencia significativa entre el agregado del alambre de enfardar luego de la irradiación o durante la misma. Asimismo, no hay diferencia apreciable entre el agregado del alambre entero o trozado, siendo este último procedimiento más engorroso.


17

Tabla 1. Remoción de As mediante fotocatálisis heterogénea y agregado de 6g L-1 de alambre de enfardar en aguas sintéticas, [As(III)]0 1000µg L-1

Muestra [As]i (µg L-1)

[As]f (µg L-1)

tirradiación

(h)

Forma de adición del alambre de enfardar

Eficiencia de remoción (%)

1 1000 140 6 entero, luego de irradiar 86

2 1000 180 6 en trozos, luego de irradiar 82

3 1000 200 6 entero, durante la irradiación 80

Además, se estudió la posibilidad de reutilizar las botellas impregnadas con el catalizador. Para esto, en una misma botella se realizaron 3 series de 6hs de irradiación de soluciones de As(III) 1000 µg L-1, estudiando la conversión a As(V) de la misma forma que en el caso de la muestra 1 de la Tabla 1. Se observa de la Tabla 2 que luego de tres usos consecutivos la eficiencia del catalizador soportado no se ve afectada.

Tabla 2. Reutilización de una botella PET impregnada con TiO2 en la FH de una solución de As(III) 1000 µg L-1

1º uso 2º uso 3º uso

90,5% 89,5% 96,7%

FH en aguas naturales

Las muestras de aguas naturales fueron extraídas de seis pozos ubicados en un área vecinal denominada Las Hermanas, que se encuentra ubicada en las cercanías de la ciudad capital de Santiago del Estero, a unos 7 km de la Ruta Nacional Nº 34, y entre las Rutas Provinciales Nº 11 y Nº 5. En una escala de mayor amplitud, la zona de muestreo pertenece al área de riego del río Dulce. Las muestras se preservaron mediante el agregado de ácido nítrico (1mL L-1).

Las botellas plásticas recubiertas con TiO2 conteniendo la solución se expusieron a la luz solar durante algunas horas. Luego de la irradiación se agregó Fe(III). El precipitado obtenido se separó por filtración y el sobrenadante fue analizado por ICP-AES.

La concentración de As remanente en las muestras luego del tratamiento se detalla en la Tabla 3. Se menciona además la relación molar inicial Fe:As, que va de 85 a 423. En todos los casos, la concentración de As remanente quedó por debajo de los requerimientos nacionales, mientras que en un caso, P6, está por debajo del límite establecido por la OMS. Es importante señalar que la relación molar Fe:As utilizada es considerablemente alta, más de 100 veces, por lo que ensayos futuros se centrarán en la optimización de dicha relación.


18

Tabla 3. Remoción de As mediante el agregado de sal férrica en aguas naturales


[As]f (µg L-1)

tirradiación

(hs) pHi pHf [Fe(III)]:[As] Eficiencia

de remoción

(%)

P1 961 31 10* 7,36 8,32 162 96,8

P2 1090 13 4,2 7,59 6,2 214 98,8

P3 551 30 4,9 7,98 7,32 424 94,5

P4 1530 14 3,8 - 6,26 152 99,1

P5 1830 25 10* 7,05 8,25 85 98,6

P6 1630 <10 5,1 6,96 5,88 143 >99,4

* parcialmente nublado

Un aspecto que merece comentario es el comportamiento diferente de las matrices acuosas en la fase de separación del hidróxido: en algunos casos, la decantación es óptima y en otros relativamente defectuosa, persistiendo una fracción coloidal, detectable por una tonalidad amarillo pálida en el agua sobrenadante. Este diferente comportamiento de las matrices acuosas es un detalle cuya importancia resurgirá al tiempo de optimizar la implementación de la descontaminación en campo, en condiciones reales. Corresponde, en este punto, aclarar que todas las muestras del agua sobrenadante correspondientes a los resultados aquí informados fueron pasadas por filtro de 0,45 para su envío a análisis.

ZVI en aguas arsenicales sintéticas

Aguas arsenicales sintéticas de composición similar a las naturales provenientes de Tucumán se prepararon con agua destilada adicionando MgSO4 1,3 × 10-4 M, CaCl2 2,3 × 10-4 M, NH4Cl 4,0 × 10-5 M, FeCl3 9,0 × 10-6 M y NaOH para ajustar el pH al valor de las aguas naturales (media 7,8). Se agregaron a las soluciones 1000 µg L-1 As(III) o As(V).

En una primera etapa, se llevaron a cabo ensayos preliminares de remoción de As(V) partiendo de un volumen de 200 mL de una solución conteniendo 800 µg L-1 de As(V) en erlenmeyers, agregando rollitos de lana de acero en una concentración de 15g L-1. Se estudió el efecto de la oxigenación en la remoción de As mediante la agitación constante del recipiente abierto; el ensayo control se realizó en recipiente cerrado sin agitación. Los ensayos se realizaron en ausencia de luz y sin aporte de oxígeno adicional, a temperatura ambiente sin regulación de la misma. Los resultados se presentan en la Figura 2, donde observamos que la remoción es más rápida cuando se agita la solución, pudiendo atribuirse este resultado a una más rápida oxidación del Fe(0) al incorporarse más oxigeno a la solución.


19

0 2 4 6 80

25

50

75

100

con agitación magnética sin agitación

Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)

Figura 2. Efecto de la oxigenación en la remoción de As(V) mediante lana de acero, [As(V)]0 800 µg L-1, [Fe(0)]0 15g L-1

En una etapa posterior se estudió la capacidad de remoción de As que presentan dos formas diferentes de hierro: alambre de enfardar y rollitos de lana de acero. Se evaluó además el efecto de la radiación UV en la remoción de As. El hierro se agregó a la solución de As(V) 1000 µg L-1 en una concentración de 6 g L-1. Se trabajó con esta cantidad de hierro ya que ensayos anteriores habían dado como óptima esta concentración (d’Hiriart y col., en prensa). Las soluciones se irradiaron con luz UV artificial durante 8 hs. (equivalente a una jornada de sol) o se mantuvieron en la oscuridad. La evolución temporal de la remoción de As se presenta en la Figura 3, donde se observa que al utilizar lana de acero la remoción de As es considerablemente más rápida que cuando se usa alambre de enfardar, alcanzando una remoción completa en 2 hs. mientras que para el alambre se obtiene sólo un 30% de remoción de As en el mismo período, siendo este resultado atribuible, posiblemente, a la mayor superficie oxidable expuesta. No se observa una diferencia significativa en la remoción al exponer las soluciones a la radiación UV.


20

0 2 4 6 80

25

50

75

100

UV dark0,6g/L 1g/L 6g/L

Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)(a) (b)

0 2 4 6 80

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)(a) (b)

Figura 3. Remoción de As en aguas sintéticas utilizando Fe0 en forma de alambre de enfardar y lana de acero, [As(V)]0=1000 µg L-1

En una segunda etapa, se realizaron experimentos para estudiar el efecto de la masa de hierro en la remoción de As. La remoción de 1000 µg L-1 de As(III) y As(V) se estudió para tres concentraciones de lana de acero: 0,6 g L-1, 1 g L-1 y 6 g L-1, irradiados con luz UV artificial durante 8 hs. Los resultados que se observan en las Figuras 4 (a) y (b) muestran que se obtiene una más rápida remoción a concentraciones mayores de Fe(0), tanto para As(III) como para As(V), si bien a las 24 hs. la remoción de As fue completa en todos los sistemas.

Figura 4. Remoción de As en aguas sintéticas para tres masas diferentes de lana de acero bajo irradiación con luz UV o en la oscuridad para 1000 µg L-1 de a) As(III) y b) As(V)

El efecto de la luz se puede observar claramente en el experimento llevado a cabo con la menor concentración de hierro (0,6 g L-1), ya que la remoción aumenta notablemente cuando se irradia con luz UV, observándose este fenómeno tanto para As(III) como para As(V). Esta diferencia es mucho menos apreciable para concentraciones de 1 y 6 g L-1.

0 4 8 12 16 20 240

25

50

75

100

UV darklana de acero alambre de enfardar

Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)


21

ZVI para aguas naturales

Las muestras de agua fueron recogidas en la localidad de Los Pereyra, provincia de Tucumán, ubicada en la ruta provincial Nº 327, 70 km al sudeste de la ciudad de San Miguel de Tucumán, en el departamento de Cruz Alta (26°56’51’’ S y 64°53’09’’ O, 383 msnm). Es un pequeño poblado con alrededor de 1000 habitantes.

Se dispusieron 250 mL de agua en una botella PET y se introdujo una pieza de 1,5 g de alambre de enfardar. La botella se expuso al sol durante 6 hs. y otra muestra se preparó exactamente igual pero se dejó en la oscuridad. Las muestras fueron filtradas y se analizó en el sobrenadante la presencia de As mediante TXRF. En la Tabla 4 se detallan los resultados, observándose que, en ambos casos, se obtuvo un buen porcentaje de remoción, aunque la remoción fue mayor cuando la muestra fue irradiada al sol. Este resultado difiere del obtenido en muestras sintéticas para la misma concentración de Fe(0), donde no se observó diferencia al irradiar con luz UV.

Tabla 4. Remoción de As mediante el agregado de 6g L-1 de alambre de enfardar en aguas naturales


[As]f (µg L-1)

tirradiación

(hs.) [Fe0] Eficiencia de

remoción (%)

T1 340 97 6 6g L-1 71,5

T2 340 174 - 6g L-1 48,8

Comparación de la técnica ZVI en aguas sintéticas y naturales

En la siguiente tabla, se expresan los valores de remoción obtenidos a partir de aguas arsenicales sintéticas y naturales mediante el agregado de Fe(0) en forma de alambre de enfardar. En aguas sintéticas no se observa diferencia significativa al irradiar las muestras, mientras que para aguas reales la eficiencia de remoción aumenta notablemente en las muestras que fueron irradiadas. Tabla 5. Valores de remoción obtenidos en aguas sintéticas y naturales mediante el agregado de Fe0 en forma de alambre de enfardar


[As]f (µg L-1)

tirradiación

(hs.) [Fe0] Eficiencia de

remoción (%)

sintética 1000 158 8 6g L-1 83,7

natural 340 97 8 6g L-1 71,5

sintética 1000 195 0 6g L-1 81,1

natural 340 174 0 6g L-1 48,8


22

CONCLUSIONES

Los resultados experimentales obtenidos muestran que el arsénico es eficientemente removido tanto de soluciones arsenicales sintéticas como de aguas subterráneas naturales mediante ambas tecnologías económicas: la fotocatálisis heterogénea con TiO2 soportado en botellas y posterior agregado de hierro y mediante el hierro cerovalente. Aún restan hacer varios experimentos para optimizar las técnicas y para estudiar los mecanismos de reacción que operan en los sistemas. Por ello, se buscará la optimización de los parámetros de reacción (cantidad de hierro, efecto de iones extraños, materia orgánica, alcalinidad, etc.) para remover As por debajo del límite establecido por el CAA. A los efectos de evaluar la potencial aplicación de las tecnologías se aumentarán los volúmenes de agua a tratar y se estudiará la reutilización del hierro no consumido: m3 agua/g Fe.

La ventaja de la tecnología fotocatalítica es que puede simultáneamente eliminar contaminación química y microbiológica además del arsénico. En el futuro, se buscará realizar ensayos simultáneos de remoción de As y desinfección microbiológica con el objeto de tener una técnica para el tratamiento completo de agua de bebida en las zonas en estudio.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo es parte del Proyecto OEA/AE/141 AICD, del Programa P5-PID-36-4 de la Comisión Nacional de Energía Atómica y del Proyecto PICT03-13-13261 de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica. MIL es miembro del CONICET. MEM agradece a CONICET por una beca posdoctoral. IKL agradece a OEA por una beca de estudiante.

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25

1

Low-cost technologies based on heterogeneous photocatalysis and zerovalent iron for arsenic removal in the Chaco-Pampean Plain, Argentina

María E. Morgada de Boggio1, Ivana K. Levy1, Miguel Mateu1, Marta I. Litter1,2



[email protected]

SUMMARY

Waters in the Chaco-Pampean Plain in the Argentine Republic contain arsenic levels above those allowed by national and international standards for drinking waters. The situation is even worse in rural areas, where low water quality, poverty and malnutrition are major factors causing a high incidence of RCEHA (Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism).

In this paper, the results obtained with the application of simple and low-cost technologies based on Heterogeneous Photocatalysis (HP) and Zerovalent Iron (ZVI) for the removal of As (III, V, or both) are presented.

For HP tests, PET plastic bottles with their inner surfaces covered with a thin film of TiO2 and exposed to solar or artificial UV radiation were used. Arsenic removal rates of more than 80% were obtained by irradiating arsenic-containing solutions (pure Milli-Q water) during 6 hours with artificial UV radiation. Packing wire was added at a later stage. The treatment of natural waters (Santiago del Estero) exposed to solar radiation with subsequent addition of ferric salt resulted in removal rates with an efficiency higher than 94%.


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For ZVI tests, arsenical solutions were introduced in PET bottles. Iron was added as steel wool or packing wire. Iron wool demonstrated to be a better iron source than packing wire for As removal. Solar irradiation, in synthetic as well as in natural samples seems to definitively improve As removal, avoiding the use of high amounts of iron.

The presence of light, oxygen and added iron are factors that should be taken into account when studying both technologies.

INTRODUCTION

With an approximate extension of 106 km2, the Chaco-Pampean Plain is maybe one of the largest regions in the world with extremely high concentrations of arsenic in groundwater. In the provinces of Córdoba, La Pampa, Santa Fe, and Buenos Aires, arsenic concentrations are well above the 50 µg L-1 established in 1994 by the Argentine Food Code (CAA), and greatly exceed the value set forth by the World Health Organization (WHO), 10 µg L-1. In the Province of Córdoba, arsenic concentrations ranging between 6–11500 µg L-1 (mean 255 µg L-1) were detected (Nicolli et al, 1989). In a study of the Carcarañá River basin (provinces of Córdoba and Santa Fe), concentrations between <10–720 µg L-1 (mean 43-201 µg L-1) were measured (Nicolli and Merino, in press), and in the Province of La Pampa, concentrations ranging between <4–5280 µg L-1 (mean 145 µg L-1) were observed (Smedley et al, 1998). In groundwater in the Province of Tucumán, values between 12–1660 µg L-1 (mean 46 µg L-1) were recorded (Nicolli et al, 2001).

Groundwater is usually highly saline, and arsenic concentration is in correlation with those of other anions and oxoanions present (F, V, HCO3, B, Mo). Waters are predominantly oxidizing, so arsenic is present mainly as As(V) forming H2AsO4

- and HAsO4

2- at neutral pH (Smedley et al, 1998). The metallic oxides present in sediments (particularly Fe and Mn oxides and hydroxides) are the main source of dissolved arsenic, generated from desorption at high pH (Smedley et al, 1998), although the direct dissolution of volcanic rock has also been mentioned as a potential source (Nicolli et al, 1989; Nicolli and Merino, in press). Arsenic mobility in soils and ground waters is strongly dependent on the redox conditions of the media, this being less soluble in an oxidizing environment where As(V) is predominant.

In rural areas, the population does not have access to water and gas distribution networks, nor to waste water collection services. The lack of a drinking water distribution system and the absence of surface water bodies force the consumption of groundwater, be it from deep wells (more than 100 m) or from shallow wells (up to 20 m). This water is usually extracted and consumed with no prior treatment and/or conditioning. The chemical compositions of water from deep and shallow wells are significantly different. In general, water quality, particularly from the phreatic level, is poor due to the high contents of bacteria, nitrates, boron, fluoride, and trace elements such as manganese, fluorine and arsenic.

Poor water quality, together with the malnutrition and poverty conditions that affect these areas, cause hydric-related diseases, including RCEHA (Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism).


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Several methods have been used to remove arsenic from drinking water, including anionic exchange, precipitation, flocculation, and adsorption (Edwards, 1994), (Hering et al, 1997; Harper and Kingham, 1992). Recently attention has focused on the study of Advanced Oxidation Technologies (AOTs) based on Heterogeneous Photocatalysis (HP) (Dutta et al, 2005; Ferguson et al, 2005) and Zerovalent Iron (ZVI) (Bang et al, 2005; Su and Puls, 2001) for removing As (III, V or both) from groundwater.

HP is based on the use of a semiconductor, TiO2, that under the effect of the UV radiation present in the solar spectrum, originates chemical reactions that cause the mineralization of organic matter (Litter, 2005; Domènech et al, 2004; Quici et al, 2005) bacterial inactivation (Ibáñez et al, 2003), and the transformation of toxic metals (Botta et al, 2002; Meichtry et al, sent). Conveniently deposited, TiO2 can be introduced into plastic bottles and, by solar irradiation, oxidize As(III) to As(V). In a second stage, iron is added to immobilize As(V) through adsorption and co-precipitation with iron oxides.

The ZVI method has been thoroughly studied for the remediation of contaminants such as organic compounds (Chang and Cheng, 2006; Bremner et al, 2006; Abinash et al, 2002) and metals (Rangsivek and Jekel, 2005; Cantrell et al, 1995; Blowes et al, 2000) in groundwater, and presents numerous benefits for As remediation. The main advantages include its low cost and availability in rural areas, as well as easy use. As(III) and As(V) removal mechanisms involve the formation of As(III) and As(V) complexes on the iron oxides formed in situ as the result of the corrosion of Fe(0).

The objectives of this study were: (1) to assess the efficiency of heterogeneous photocatalysis with deposited TiO2 and the subsequent addition of iron for arsenic removal; (2) to assess the efficiency of zerovalent iron for arsenic removal; and (3) to assess the potential application of these technologies to the remediation of ground waters contaminated with arsenic in isolated rural areas of the Chaco-Pampean Plain in Argentina.

LOCATION

When selecting locations for applying these technologies, the existence of scattered populations with no connection to drinking water supply networks and with unfavorable socioeconomic conditions was taken into account. A history of high levels of arsenic in consumption waters and references to an epidemiological incidence of RCEHA were also considered, as well as the availability of high levels of solar radiation during most of the year and a relatively easy accessibility to the sites selected to carry out field tests.

A preliminary survey showed that the southeastern region of the Province of Tucumán, where the hydrogeological basin of the Salí River is located, was suitable for the purposes of the study. Its waters are intensely exploited for human and industrial consumption as well as irrigation, and they are the basis for the urban, agricultural and industrial development of the area. The region selected to develop the studies is located approximately between parallels 26° 20’ and 28°30’ S and meridians 64°45’ and 65°30’ W, and it has numerous access ways. The climate of the region is subtropical with a dry season between May and September. The annual mean rainfall is 800 mm, and the mean temperature is 19 °C. The area has high levels of solar radiation.

The community of Los Pereyra, a small settlement of 1,000 inhabitants on Provincial Road 327, between the town of Estación Aráoz and Los Ralos, 70 km to the east of the


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city of San Miguel de Tucumán between the town of Estación Aráoz to the south and Provincial Road 303 to the north, was studied with greater detail due to the detection of RCEHA cases, and it turned out to be the best option for the development of field tests. The lack of a water distribution network and the absence of major surface water courses forces inhabitants to extract water from deep and shallow wells. The water thus extracted presents organic and microbiological contamination and As in concentrations above the value set forth by the WHO. The easy access to the location by local roads and the proximity of technical groups from the University of Tucumán made the development of field tests easier and significantly cheaper.

Tests with samples from the Province of Santiago del Estero were also performed. These natural water samples were taken from six wells located in an area called Las Hermanas that is located near the capital city of Santiago del Estero, at a distance of about 7 km from National Road 34, between Provincial Roads 11 and 15. At a broader scale, the sampling area belongs to the irrigation area of the Dulce River.

The Dulce River is the major river in the area due to the economic and human impact of its run. It is born in the boundary between the provinces of Salta and Tucumán, and it goes through the Province of Tucumán with the name of Salí River. It then enters the Province of Santiago del Estero with the name of Dulce River, in the Department of Río Hondo, and it floods the frontal dam of Río Hondo. After this, it goes through the Department of Río Hondo and becomes the boundary between the departments of Capital and Banda. Along this portion of the run it hits the diversion dam of Los Quiroga, base of the irrigation system of the area of the Dulce River, which irrigates 110,000 Has. in the departments of Capital, Banda and Robles. Along this trajectory, water surpluses are deviated towards the Salado River through the Jume Esquina Channel. To the south of the city of Santiago del Estero, the Dulce River forks into parallel arms that run along the plain alluvial land; the major two are called Viejo River and Saladillo River. The level of the river depends on seasonal rainfall and on its use for the production of electricity. Water flow increases during summer, reaching 900 m3 s-1. Along its way it goes through 13 departments (Río Hondo, Banda, Capital, Robles, Silípica, San Martín, Sarmiento, Loreto, Atamisqui, Avellaneda, Salavina, Mitre, Quebrachos and Rivadavia), covering an area of 41,116 square kilometers.

The climate of the region is in general continental and hot, in agreement with its subtropical classification based on its location between the isotherms of 20 °C and 22 °C. It varies between arid and semiarid to continental sub-humid, with a clear dry season between May and October that becomes more marked from east to west. Annual rainfall varies between 500 and 950 mm in most of the territory, with a decrease towards the west. There are two seasons: rainy (October to March) and dry (April to September). Atmospheric pressure is 763.5 mm Hg and is recorded in August, with a mean temperature of 17 °C. The absolute minimum pressure is 728 mm and corresponds to October, with a mean temperature of 22 °C. The monthly average of rainfall in summer is 13 mm with a range of 1.28 mm; in autumn it is 10 mm with a range of 1.08 mm; in winter it is 5.83 mm and a range of 0.83 mm; and in spring it is 8.95 mm with a range of 1.05 mm.


29

EXPERIMENTAL SECTION

Materials and methods

All chemical reagents were of analytical quality and were used unpurified. As(III) stock solutions were prepared from NaAsO2 (Baker), and As(V) stock solutions from NaH2AsO4.7H2O (Baker). For the purification of water, a Millipore Milli Q equipment (resistivity = 18 MΩ.cm) was used. Experiments were carried out in clear, polyethyleneterephtalate (PET) plastic bottles with a capacity of 600 mL that originally contained soda drinks. The volume of solution treated was 250 mL. In the case of HP experiments, the inner surface of the bottles was covered with a thin film of TiO2 by means of a simple technique previously reported by the group (Meichtry et al, in press). The TiO2 (Degussa P-25) was provided by Degussa AG Germany and was used with no prior treatment. Bottles were vigorously agitated during 1 minute in order to oxygenate the solution, and were slightly agitated before samples were taken. Fe(III) was added as FeCl3, whereas Fe(0) was added as packing wire and commercially available steel wool, both non-galvanized. For the X-Ray diffraction diagram, 99% powder iron (Mallinckrodt) was used. Artificial irradiation experiments were carried out with a black-light tubular UV lamp (Philips TLD/08, 15 W, 350 nm < λ < 410 nm, maximum transmission at 366 nm).

As(V) was determined by the molybdenum blue technique (Lenoble et al, 2003), total As was determined by oxidation of As(III) with potassium permanganate, and As(III) was calculated as the difference between these two values. ((NH4)6Mo7O24.4H2O (Stanton), Baker antimony potassium tartrate and Sigma-Aldrich L-ascorbic acid were used. Potassium permanganate was obtained from Riedel-de-Haen.

In ground waters, total As was determined by atomic emission spectroscopy with induced coupled plasma (ICP-OES) with a Perkin-Elmer Optima 3100 XL equipment, or by total reflection X-Ray fluorescence (TXRF) with a PANalytical PW3830 X-Ray generator. Both techniques allow a non-speciated elemental analysis, with sensibilities of the order of µg L-1 (ppb), depending on the atomic number.

The materials used as iron sources were also characterized by X-Ray diffraction: steel wool and packing wire. Diffractograms are shown in Figure 1.

Arsenic removal experiments

Characterization of the iron materials used

As shown in Figure 1, both steel wool and packing wire are almost entirely composed by pure iron, with traces of Al and calcium silicate in the case of the wire. Figure 1 shows the diagram corresponding to highly pure dust iron for comparison.


30

Figure 1. Diffractogram of the materials used as iron source

HP in synthetic arsenical waters

Synthetic solutions of As(III) (1000 µg L-1) were placed inside bottles covered with TiO2 and exposed to solar radiation for 6 hours, adding packing wire in one large piece or several smaller pieces after irradiation and taking a sample after 24 hours. In some experiments, the piece of packing wire was added when irradiation began. The results obtained are presented in Table 1, where it can be seen that there is no significant difference between adding the packing wire after or during irradiation. Also, there is no noticeable difference between adding packing wire as a whole piece or fragmented in several smaller pieces, this latter procedure being more cumbersome.

Table 1. As removal by heterogeneous photocatalysis and addition of 6 g L-1 of packing wire in synthetic waters, [As(III)]0 1000µg L-1

Sample [As]i (µg L-1)

[As]f (µg L-1)

tirradiation

(h)

Way of addition of packing wire

Removal efficiency (%)

1 1000 140 6 one piece, after irradiation 86

2 1000 180 6 several pieces, after irradiation 82

3 1000 200 6 one piece, during irradiation 80

The possibility of reusing the bottles impregnated with the catalyst was also analyzed. To do so, 3 series with 6 hours of irradiation of solutions of 1000 µg L-1 As each were run in the same bottle and conversion to As(V) was studied in the same way as for Sample 1 of Table 1. Table 2 shows that after three consecutive uses the efficiency of the catalyst is not affected.

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

lana de acero

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

10 20 30 40 50 60 70[ 2 ] 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[ count s ]

Fe

Fe

AlCaS

iO3.5

H2O

alambre comercial

limaduras de hierro

alambre de enfardar

lana de acerosteel wool

iron filings

parking wire


31

Table 2. Reuse of a PET bottle impregnated with TiO2 for HP of a 1000 µg L-1 solution of As(III)

1st use 2nd use 3rd use

90.5% 89.5% 96.7%

HP in natural waters

These natural water samples were taken from six wells located in an area called Las Hermanas that is located near the capital city of Santiago del Estero, at a distance of about 7 km from National Road 34, between Provincial Roads 11 and 15. At a broader scale, the sampling area belongs to the irrigation area of the Dulce River. Samples were preserved by adding nitric acid (1 mL L-1).

The plastic bottles covered with TiO2 and with the solution inside were exposed to sun light for a few hours. After irradiation, Fe(III) was added. The precipitate obtained was separated by filtration, and the supernatant was analyzed by ICP-AES.

Table 3 shows details of the remaining concentration of As after treatment. It also includes the initial molar ratio Fe:As, that ranges between 85 to 423. In all cases, the remaining concentration of As was below national standards, whereas in one case, P6, it was also below the value set forth by the WHO. It should be mentioned that the molar ratio Fe:As used is considerably high (more than 100), so future studies will focus on the optimization of this ratio.

Table 3. As removal by addition of ferric salt to natural waters

Sample [As]i (µg L-1)

[As]f (µg L-1)

tirradiation

(hs) pHi pHf [Fe(III)]:[As]

Removal efficiency

(%)

P1 961 31 10* 7.36 8.32 162 96.8

P2 1,090 13 4.2 7.59 6.2 214 98.8

P3 551 30 4.9 7.98 7.32 424 94.5

P4 1,530 14 3.8 - 6.26 152 99.1

P5 1,830 25 10* 7.05 8.25 85 98.6

P6 1,630 <10 5.1 6.96 5.88 143 >99.4

* partially clouded

One aspect that should be commented on is the different behavior of aqueous matrixes in the separation phase of the hydroxide: in some cases, decantation is optimal, whereas in other cases it is relatively faulty, with persistence of a colloidal fraction that can be detected for its yellowish coloration in the supernatant water. This difference in behavior of aqueous matrixes is a detail whose significance will become into play for the optimization of the implementation in the filed, under real conditions. At this point, it


32

should be mentioned that all supernatant water samples corresponding to the results reported here were filtered with a 0.45 filter before analysis.

ZVI in synthetic arsenical waters

Synthetic arsenical waters with a similar composition to that of natural waters from Tucumán were prepared with distilled water adding MgSO4 1.3 × 10-4 M, CaCl2 2.3 × 10-4 M, NH4Cl 4.0 × 10-5 M, FeCl3 9.0 × 10-6 M and NaOH to adjust pH to the value of natural waters (mean: 7.8). 1000 µg L-1 of As(III) or As(V) were added to the solutions.

At a first stage, preliminary As(V) removal tests were carried out starting with 200 mL of a solution containing 800 µg L-1 of As(V) in Erlenmeyer flasks and adding small rolls of steel wool in a concentration of 15 g L-1. The effect of oxygenation on As removal was studied by constant agitation of the open recipient; for the control test a closed recipient with no agitation was used. Tests were carried out in the absence of light and with no additional oxygen at unregulated room temperature. The results are presented in Figure 2, where it can be seen that removal is faster when the solution is agitated, which can be attributed to a faster oxidation of Fe(0) when there is more oxygen in the solution.

Figure 2. Effect of oxygenation in the removal of As(V) with steel wool, [As(V)]0 800 µg L-1, [Fe(0)]0 15g L-1

At a later stage, two different sources of iron were studied as regards their capacity to remove As: packing wire and steel wool rolls. The effect of UV radiation in As removal was also assessed. Iron was added to the As(V) 1000 µg L-1 solution with a concentration of 6 g L-1. The amount of iron was selected based on prior tests that had shown that this was the optimal concentration (d’Hiriart et al, in press). Solutions were exposed to artificial UV radiation for 8 hours (equivalent to one day of sunlight) or were kept in the dark. The evolution of As removal in time is shown in Figure 3, where it can be seen that As removal is markedly faster when steel wool is used instead of packing wire, reaching full removal in 2 hours. With packing wire, on the other hand, only 30% of the As is

0 2 4 6 80

25

50

75

100

con agitación magnética sin agitación

Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)time (hs)

As

rem

oval

%

with magnetic agitation no agitation


33

0 2 4 6 80

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)(a) (b)

0 2 4 6 80

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)0 2 4 6 8

0

25

50

75

100


Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)(a) (b)

removed in that same period, which is probably due to the greater oxidable surface exposed in the case of steel wool. No significant difference in removal is observed when the solutions are exposed to UV radiation.

Figure 3. As removal in synthetic waters using Fe0 as packing wire and steel wool, [As(V)]0=1000 µg L-1

In a second stage, experiments were carried out to study the effect of the mass of iron on As removal. A removal of 1000 µg L-1 of As(III) and As(V) was studied for three concentrations of steel wool: 0.6 g L-1, 1 g L-1 and 6 g L-1, which were irradiated with artificial UV light for 8 hs. The results observed in Figures 4 (a) and (b) show that removal is faster at higher concentrations of Fe(0), both for As(III) and As(V), although at 24 hs. As removal was complete in all systems.

Figure 4. As removal in synthetic waters for three different masses of steel wool exposed to UV radiation or in the dark for 1000 µg L-1 of a) As(III) and b) As(V)

The effect of light can be clearly observed in the experiment that had the lowest concentration of iron (0.6 g L-1), since removal markedly increases when the sample is irradiated with UV light, both with As(III) and As(V). This difference is much less significant for concentrations of 1 and 6 g L-1.

0 4 8 12 16 20 240

25

50

75

100

UV darklana de acero alambre de enfardar

Rem

oció

n de

As

%

tiempo (hs.)time (hs)

As

rem

oval

%

steel wool packing wire

time (hs) time (hs)

As

rem

oval

%

As

rem

oval

%


34

ZVI in natural waters

Water samples were collected at the community of Los Pereyra, Province of Tucumán, located on Provincial Road 327, 70 km to the south of the city of San Miguel de Tucumán, in the Department of Cruz Alta (26°56’51’’ S and 64°53’09’’ W, 383 masl). It is a small town with approximately 1,000 inhabitants.

250 mL of water were put into a PET bottle and a 1.5-gram piece of packing wire was added. The bottle was exposed to sunlight for 6 hours, and a second, identically prepared sample was kept in the dark. Samples were filtered and the supernatant was tested for As by TXRF. The results obtained are shown in Table 4. As it can be observed, a good removal rate was obtained in both cases, although removal was higher when the sample was exposed to sunlight. This result is in disagreement with the results obtained for synthetic samples with the same concentration of Fe(0), where no difference was observed when samples were irradiated with UV light.

Table 4. As removal by adding 6 g L-1 of packing wire in natural waters

Sample [As]i (µg L-

1)

[As]f (µg L-

1)

tirradiation

(hs) [Fe0] Removal

efficiency (%)

T1 340 97 6 6g L-1 71.5

T2 340 174 - 6g L-1 48.8

Comparison of the ZVI technique for synthetic and natural waters

The following table shows the removal rates obtained for synthetic and natural arsenical waters by adding Fe(0) in the form of packing wire. In the case of synthetic waters there is no significant difference if samples are exposed to UV radiation, whereas in the case of natural waters, removal efficiency increases significantly in irradiated samples. Table 5. Removal values obtained in synthetic and natural waters by adding Fe0 in the form of packing wire

Sample [As]i (µg L-

1)

[As]f (µg L-

1)

tirradiation

(hs) [Fe0] Removal

efficiency (%)

synthetic 1,000 158 8 6g L-1 83.7

natural 340 97 8 6g L-1 71.5

synthetic 1,000 195 0 6g L-1 81.1

natural 340 174 0 6g L-1 48.8


35

CONCLUSIONS

The experimental results obtained show that arsenic is efficiently removed both from synthetic arsenical solutions and natural groundwater samples by both low-cost technologies: heterogeneous photocatalysis with TiO2 deposited on bottles and later addition of iron and zerovalent iron. There are still several experiments that need to be conducted to optimize the techniques and to study the reaction mechanisms involved in the systems. In this regard, the optimization of reaction parameters (amount of iron, effect of foreign ions, organic matter, alkalinity, etc.) will be sought so as to be able to remove As to levels below the limit established by the CAA. To the effect of assess the potential application of these technologies, water volumes will be increased and the possibility of reusing non-consumed iron will be studied: m3 water/g Fe.

The advantage of the photocatalytic technology is that it can remove simultaneously chemical and microbiological contamination in addition to arsenic. In the future, simultaneous analysis of As removal and microbiological disinfection will be carried out in order to produce a technique for an integral treatment of drinking water in the areas under study.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work was performed as part of OAS/AE/141 AICD Project, Comisión Nacional de Energía Atómica P5-PID-36-4 Program and Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica PICT03-13-13261 Project. MIL is a member of CONICET. MEM thanks CONICET for a postdoctoral fellowship. IKL thanks OAS for a student fellowship.

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37

Arsenic in Groundwater of Latin America. Balkema Publisher, Lisse, The Netherlands, in press.

María C. Soria, Priscila A. Powell y María C. Apella

39

2

Aguas tratadas por fotólisis y fotocatálisis heterogénea para inactivación bacteriana

María C. Soria1, Priscila A. Powell1 y María C. Apella1,2,3

1Facultad de Ciencias Naturales e Instituto Miguel Lillo, Universidad Nacional de Tucumán, San Miguel de Tucumán, Tucumán, Argentina

2Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

3Centro de Referencia para Lactobacilos (CERELA), San Miguel de Tucumán, Tucumán, Argentina

[email protected]

RESUMEN

Dos métodos efectivos, económicos y de fácil aplicabilidad en áreas de escasos recursos que no cuentan con red de agua potable son la Desinfección Solar por Fotólisis (SODIS) y la Fotocatálisis Heterogénea Solar (FHS) con TiO2 como catalizador. En el presente trabajo se realizaron nuevos estudios para la validación de ambas tecnologías en aguas naturales extraídas de pozos de la localidad de Los Pereyra, Tucumán, Argentina, y en aguas modelo (composición iónica similar a las naturales, inoculadas con bacterias coliformes y Enterococcus faecalis). La eficacia de los métodos se evaluó considerando la intensidad de la radiación UV-A depositada (solar y artificial) y número de bacterias viables postratamiento para determinar el efecto de protección residual contra la reactivación bacteriana. Asimismo, se estudió la cinética de fotoinactivación. Ambas tecnologías brindaron niveles de desinfección aceptables después de 4, 6 y 8 hs. de exposición a la radiación solar durante verano y primavera, sin ningún efecto en días nublados y cierta protección residual durante las 24 hs. siguientes al tratamiento. El comportamiento de inactivación bacteriana mediado por los radicales hidroxilo generados sobre la superficie de TiO2 iluminada no sólo depende del número de estas especies oxidantes sino además de la morfología, tamaño y propiedades superficiales de los microorganismos, que permiten un mejor ataque, o a la ausencia de enzimas u otros sistemas sensibles.


40

INTRODUCCIÓN

El agua subterránea es la mayor reserva de agua potable de fácil acceso para la humanidad, por lo que su contaminación constituye un problema severo. No existen valores estándar aceptados a nivel mundial para definir agua potable, ya que estos varían en los distintos países acorde a sus características ambientales, culturales, sociales y económicas. El mayor riesgo de enfermedades transmitidas por el agua se observa en niños, ancianos, personas débiles o que viven en condiciones insalubres. Las enfermedades transmitidas por el agua pueden tener diferentes vectores; en términos generales, el principal riesgo de enfermedad está asociado con la ingestión de aguas superficiales o subterráneas contaminadas con bacterias provenientes de materia fecal humana o animal. Las enfermedades infecciosas, en su mayoría intestinales, van desde una leve gastroenteritis hasta diarreas severas (a veces fatales), hepatitis y fiebre tifoidea.

Para el análisis bacteriológico se utilizan organismos indicadores asociados al tracto intestinal, de manera que su presencia en las aguas indica contaminación fecal, dado que la variedad de microorganismos que pueden contaminar las aguas es sumamente amplia. El grupo de los coliformes, el más utilizado, incluye una gran variedad de organismos, en su mayoría habitantes comunes del tracto intestinal de animales de sangre caliente (mamíferos y aves), que pueden existir como saprobios o como microorganismos intestinales. La especie Escherichia coli es la excepción, ya que vive solamente en el tracto intestinal. Su presencia indica contaminación fecal, mientras que la presencia de coliformes totales indica contaminación, sin especificar su origen. Otros indicadores adicionales de contaminación fecal son los enterococos fecales.

Las aguas destinadas a consumo humano deben recibir tratamientos previos establecidos según su calidad inicial. La desinfección, que implica la muerte o inactivación de los microorganismos patógenos (Blesa y Blanco Gálvez, 2005), es indispensable cuando se detecta la presencia de los mismos. En lo posible, la desinfección debe impedir la recuperación del crecimiento bacteriano dentro del sistema de almacenamiento y distribución de aguas. Existen numerosas técnicas de desinfección de aguas del tipo Punto de Entrada, para producir agua distribuida por red. En nuestro caso, el interés se centra en los procesos del tipo Punto de Uso, para consumo en casos en los que no se dispone de una red de distribución. Para estos fines, además del tradicional uso de lavandina, se vuelve muy interesante el uso de la energía solar como base de procesos sostenibles en regiones de escaso desarrollo socioeconómico. La desinfección solar (SODIS, del inglés Solar Water Disinfection) y la fotocatálisis heterogénea solar (FHS) son dos metodologías eficientes, económicas y de fácil aplicabilidad que emplean energía solar. Para su aplicación sólo se necesita disponibilidad de luz solar, botellas de tereftalato de polietileno (PET) y, en el caso de FHS, TiO2 como fotocatalizador. El método SODIS (Mereierehofer y Wegelin, 2002) propone exponer botellas de PET con agua contaminada durante varias horas a la radiación solar. Los rayos solares actúan en la desinfección por el efecto sinérgico de la radiación UV-A (315-400 nm) y la radiación infrarroja. La primera causa reacciones fotoquímicas en los componentes esenciales de las células (proteínas, ácidos nucleicos). La segunda permite alcanzar temperaturas superiores a las óptimas de crecimiento, que especialmente causan desnaturalización de proteínas y procesos oxidativos. El efecto térmico sumado al ataque fotónico directo llevan a la muerte celular. En la FHS, a los efectos de la radiación UV-A, se suman los fotocatalíticos, que incrementan la eficiencia de la desinfección. La energía radiante es absorbida por un semiconductor de banda ancha como el TiO2, para generar radicales libres fuertemente oxidantes, principalmente


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radicales hidroxilo, HO•, que no sólo atacan a componentes de las células bacterianas, sino también a contaminantes químicos, que en casos favorables pueden ser mineralizados totalmente. Es posible inmovilizar el fotocatalizador usando diversos soportes, evitando la necesidad de etapas posteriores de separación del mismo. Como el material es barato y no tóxico, es posible aplicar esta técnica en áreas rurales para obtener agua apta para consumo humano.

En este trabajo se compara la efectividad de los procesos fotolítico y fotocatalítico heterogéneo, mediados por luz solar (SODIS y FHS) o artificial, sobre la inactivación de bacterias presentes en aguas naturales de Los Pereyra (Tucumán, Argentina) y aguas modelo, analizando la influencia de la intensidad de la radiación solar o artificial depositada, el efecto de protección residual postratamiento y la cinética de fotoinactivación bacteriana.

ÁREA DE ESTUDIO

Los Pereyra es un asentamiento rural de la provincia de Tucumán, ubicado a 70 km al este de la ciudad de San Miguel de Tucumán, sobre la ruta Provincial Nº 327, entre las poblaciones Estación Aráoz y Los Ralos. Posee unos 1000 habitantes y su principal actividad es agrícolo-ganadera (Figura 1). Los Pereyra no dispone de servicio de agua de red ni de sistema de cloacas, y para la extracción de agua para consumo humano se recurre a pozos someros. El agua de la capa freática presenta contaminación fecal, lo que causa serios inconvenientes sanitarios en la población, representados generalmente por infecciones intestinales.

Figura 1. Ubicación de Los Pereyra y de los pozos someros. Tomado de García y col., 2003.

PARTE EXPERIMENTAL

Se utilizaron botellas PET de 0,4-2,0 L con TiO2 Degussa P-25 como fotocatalizador en una concentración de 0,5 g L-1 soportado sobre la pared (Lin y col., 2004; Meichtry y


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col., en prensa). En los estudios de fotoinactivación llevados a cabo en el laboratorio, se usaron suspensiones de TiO2 en concentraciones finales de 0,25, 0,5 y 1 g L-1.

Las muestras de agua de pozos someros fueron tomadas de pozos de diferentes casas de familias (Figura1). Las muestras de agua modelo se prepararon sembrando una solución acuosa (1,3 × 10-4 M de MgSO4, 2,3 ×10-4 M de CaCl2, 9,0 × 10-6 M de FeCl3 y 4,0 × 10-5 M de NH4Cl), aireada el día previo a la siembra, con un inóculo de muestra de cloaca fresca tomada del canal San Cayetano de la ciudad de San Miguel de Tucumán o con un cultivo de 12 hs. de Enterococcus faecalis de colección (ATCC9433) o salvaje (mcs) de origen intestinal con 107 UFC mL-1.

El recuento bacteriano se realizó mediante la técnica de la membrana filtrante (APHA, 1992 y Rodier, 1989) utilizando los medios selectivos Endo, FC y KF para coliformes totales (CT), coliformes fecales (CF) y Enterococcus faecalis respectivamente. En el caso de la fotoinactivación de Ent. faecalis de colección y salvaje, se usó medio KF o LAPTg agar (Raibaud y col., 1961).

La intensidad de la radiación solar a 365 nm se midió con un radiómetro PUV-500 y la de la luz emitida por lámparas UV-A (dos) mediante la actinometría de Fe(fen)3

3+

(Baxendale y col. 1955).

Para determinar la eficiencia de SODIS y FHS, se expusieron a radiación solar en días soleados o nublados durante diferentes tiempos (4, 6 y 8 hs.), volúmenes entre 0,2-1,5 L de aguas modelo inoculadas con 2 mL L-1 de muestra de cloaca fresca y entre 1,25-1,5 L de agua natural, en botellas con una capacidad entre 0,4-2 L (según el ensayo realizado) sin catalizador (SODIS), y con el fotocatalizador fijado a la pared (FHS). Para evaluar el efecto de protección residual después del tratamiento, se dejaron las muestras en la oscuridad durante 24 horas y se realizó el recuento bacteriano. En los estudios cinéticos de fotoinactivación de Ent. faecalis se utilizó un reactor o unidad de desinfección (vaso de vidrio de borosilicato con capacidad de 300 mL) y dos lámparas black light blue (BLB; Mp; 11 W). Una muestra de agua modelo inoculada con un cultivo Ent. faecalis fue expuesta a la radiación durante 180 minutos, con agitación y a 60 °C.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Desinfección bacteriana por SODIS y FHS

La Figura 2A muestra que no existen grandes diferencias entre SODIS y FHS en la desinfección de CT y CF presentes en aguas modelo. Tampoco es diferente la recuperación del desarrollo bacteriano de ambos grupos (Figura 2B), difiriendo de esta manera con lo reportado por Rincón y Pulgarín, 2004. El recuento bacteriano después de 24 horas en el ensayo FHS es del orden de 35 UFC/100 mL. Este número pequeño puede deberse a diversas causas, que van desde un efecto real (adsorción de bacterias viables sobre el catalizador) hasta un simple problema experimental. En términos de la clasificación de aguas según Mereierehofer y Wegelin, 2002, y considerando las incertidumbres de la determinación, puede decirse que las aguas permanecen como de riesgo nulo o bajo/intermedio.

A diferencia de lo encontrado en aguas modelo, en las naturales tratadas por ambos métodos, se observa reactivación del crecimiento de CT y Ent. faecalis dentro de


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las 24 hs. posteriores a la exposición, demostrando que el efecto de protección residual sobre estos dos microorganismos es limitado (Tablas 1, 2 y 3) bajo nuestras condiciones experimentales.

Figura 2. Número de coliformes totales (barra negra) y fecales (barra gris) en muestras de aguas modelo tratadas por SODIS y FHS después del tratamiento (A) y 24 hs. postratamiento (B). MO:

muestra original; MS: muestra en botella SODIS; MFHS: muestra en botellas FHS con TiO2 pegado a la pared. Volumen de muestra: 1,25 L en botellas de 1,5 L. Tiempo de tratamiento: 4 hs.

Intensidad máxima de radiación UV-A: 50 W m-2.

Tabla 1. Enumeración bacteriana de muestras de agua de pozo de la familia Amaya tratadas por SODIS y FHS.

Muestra original

Muestras tratadas 24 hs.

postratamiento

Bacterias

(UFC/100mL)

AO

AS

AFHS

AS

AFHS

Coliformes totales 5,0 × 104 0 0 3,5 × 102 4,7 × 102

Coliformes fecales 3,6 × 103 0 0 0 0

Ent. faecalis 3,3 × 104 0 0 3 50

AS: muestra en botella SODIS; AFHS: muestra en botella FHS con TiO2 pegado a la pared. Volumen de muestra: 1,5 L en botellas de 2 L. Tiempo de tratamiento: 4 hs. Intensidad máxima de

radiación: 50 W m-2.

0

10

20

30

MFHSMS Muestras

UFC

/ 10

0 m

L

0

10

20

30

MO MFHSMS

Muestras

(UFC

/ 10

0 m

L) x

10-4

(B)(A)


44

Tabla 2. Enumeración bacteriana de muestras de agua de pozo de la familia Juárez tratadas por SODIS y FHS.

Muestra original

Muestras tratadas 24 hs.

postratamiento

Bacterias

(UFC/100mL) JO JS JFHS JS JFHS

Coliformes totales 3,4 × 106 0 0 4,8 × 104 6,3 × 102

Coliformes fecales 1,7 × 106 0 0 0 0

Ent. faecalis 4,7 × 103 4,7 × 103 80 0 5,3 × 106

JS: muestra en botella SODIS; JFHS: muestra en botella FHS con TiO2 pegado a la pared. Volumen de muestra: 1,5 L en botellas de 2 L. Tiempo de tratamiento: 4 hs. Intensidad máxima de

radiación: 60 W m-2.

Tabla 3. Enumeración bacteriana de muestras de agua de pozo de las familias Jerez (J) y Flores (F) tratadas por FHS.

Muestras originales

Muestras tratadas

24 hs. postratamiento

Bacterias (UFC/100mL)

JO

FO

JFHS

FFHS

JFHS

FFHS

Coliformes

totales 4,8 × 104 6,3 × 102 0 0 4,8 × 104 6,3 × 102

Coliformes

fecales 1,2 × 103 6,3 × 102 0 0 0 0

Ent. faecalis 2,8 × 102 2,6 × 102 0 0 3,4 × 105 4,4 × 105

JFHS y FFHS: muestras tratadas en botellas FHS con TiO2 pegado a la pared. Volumen de muestra: 1,5 L en botellas de 2 L. Tiempo de tratamiento: 4 hs. Intensidad máxima de radiación:

60 W m-2.


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Eficiencia del método FHS en días nublados

El tratamiento por FHS no fue eficaz para la desinfección en días nublados (Tabla 4), como había sido demostrado previamente en aguas modelo tratadas por SODIS y FHS con TiO2 soportado en esferas de porcelana durante 4 horas (Powell, 2005). Los tiempos en horas estimados para obtener una reducción bacteriana del 90% o en un orden de magnitud, determinados a través del cálculo del tiempo de reducción decimal (D = t / (log N0/N), donde N0 y N son las poblaciones inicial y al tiempo t respectivamente), son muy largos (DCTJ: 7 y DCFJ: 8; DCTA: 3 y DCFA: 7). En este caso, a pesar de que el tiempo de irradiación fue mayor (6 hs.), tampoco fue suficiente para lograr una desinfección total. Se debe tener en cuenta que estos ensayos se realizaron en las estaciones de otoño e invierno, cuando las temperaturas y la intensidad de la radiación solar son menores que las que se presentan en primavera y verano, por lo cual la acción bactericida es menor. Posiblemente este resultado se deba a que, bajo estas condiciones, los mecanismos de defensa de los microorganismos superan el estrés oxidativo, y se reactivan. El número de bacterias 24 hs. posteriores al tratamiento fue superior al encontrado después de la irradiación, comportamiento que puede ser explicado por la razón anterior.

Tabla 4. Enumeración bacteriana de muestras de agua de pozos de las familias Juárez y Amaya tratadas por FHS en día nublado.

Muestras Originales

Muestras Tratadas 24 hs.

Postratamiento

Bacterias (UFC/100mL)

JO

AO

JFHS

AFHS

JFHS

AFHS

Coliformes

Totales 6,7 × 104 7,8 × 103 8,1 × 103 1,2 × 102 3,4 × 103 2,3 × 103

Coliformes

Fecales 4,0 × 104 6,3 × 103 7,0 × 103 8,0 × 102 1,6 × 103 1,5 × 103

JO y AO: condiciones iniciales de las muestras de agua de los pozos de las familias Juárez (J) y Amaya (A) respectivamente; JFHS y AFHS: muestras tratadas por FHS con TiO2 pegado a la

pared. Volumen irradiado: 1,0 L en botellas de 1,5 L. Tiempo de tratamiento: 6 hs.

Inactivación bacteriana por FHS

En la Figura 3 se muestran los resultados de la inactivación por FHS, en día soleado durante 8 hs., de coliformes totales (CT) y fecales (CF) y Ent. faecalis presentes en un volumen de 1 L de agua de pozo de la familia Juárez.


46

0 2 4 6 20 22 24-6

-4

-2

0

log

(N /

N 0)

Tiempo / h

Figura 3. Inactivación de CT ( ), CF ( ) y Ent. faecalis ( ) presentes en agua de pozo de la familia Juárez tratada por FHS con TiO2 pegado a la pared de la botella. Volumen de muestra: 1,5 L en botellas de 2 L. Tiempo de irradiación: 8 hs. N0 de CT: 6,3 × 105 UFC/100 mL; N0 de CF: 5,5 ×

104 UFC/100 mL; N0 de Ent. faecalis: 1,6 × 103 UFC/100 mL.

La inactivación de CT y CF, si bien no fue total, redundó en una reducción de 5 y 3,5 log respectivamente después de 8 hs. de irradiación. Las cinéticas de inactivación están de acuerdo con el modelo de Crick y Watson (Cho y col., 2004). La constante específica de velocidad de desaparición es superior para CT (1,91 hs.-1) que para CF (1,40 hs.-1). Ent. faecalis fue totalmente inactivada a las 4 hs. de irradiación. La mayor sensibilidad de esta cepa con respecto a CT y CF se debe posiblemente a la diferencia de tamaño y estructuras superficiales, que permiten un mejor ataque de los radicales HO•, o a la ausencia de enzimas u otros sistemas sensibles. Los tres indicadores, después de 24 hs. de oscuridad, no fueron cultivables. Posiblemente, durante este tiempo, el número menor de microorganismos permitió un contacto mayor con especies remanentes responsables de la inactivación.

El efecto del tratamiento por FHS observado en aguas naturales no fue similar al encontrado en aguas modelos inoculadas con Ent. faecalis ATCC9433. Como se puede observar en la Figura 4, no fue posible alcanzar la inactivación total de esta cepa por FHS durante 8 hs. de exposición a la radiación solar, mientras que sí fue posible con SODIS. Además, ambos tratamientos no fueron efectivos en la protección residual de esta cepa.


47

0 2 4 6 8 20 22 24

-6

-4

-2

0

log

(N /

N 0)

Tiempo / h

Figura 4. Efecto sobre la sobrevida de Ent. faecalis ATCC9433 presente en agua modelo en función del tiempo de exposición a la radiación solar tratada por SODIS ( ) y FHS con TiO2

pegado a la pared de la botella ( ). Volumen de muestra: 0,2 L en botellas de 0,4 L. Tiempo de irradiación: 8 hs. N0 de UFC mL-1: 3,6 × 107.

Inactivación de Ent. faecalis de colección y salvaje por fotólisis y fotocatálisis heterogénea

La inactivación total Ent. faecalis ATCC9433 por fotocatálisis heterogénea tuvo lugar a los 60 minutos con TiO2 en una concentración de 1 g L-1 mientras que con 0,25 g L-1 y por fotólisis se logró a los 180 minutos (Figura 5) con constantes específicas de velocidad de 0,30 y 0,10 min.-1, respectivamente. En el caso de Ent. faecalis mcs, la inactivación total se logró a los 180 min. de irradiación en ausencia y presencia del fotocatalizador en una concentración de 0,25 g L-1 con la misma constante específica de velocidad (0,10 min.-1), tal como se observa en la Figura 6. La inactivación de Ent. faecalis ATCC9433 a tiempos menores es una consecuencia de la mayor producción de HO•, especie principalmente responsable de la desestabilización de las estructuras celulares externas.


48

Figura 5. Efecto sobre la sobrevida de Ent. faecalis ATCC9433 presente en una muestra de agua modelo tratada por fotocatálisis heterogénea con 1 ( ) y 0,25 () g L-1 de TiO2, y fotólisis (1) en

función del tiempo de exposición a la radiación. Volumen de muestra: 300 mL. Tiempo de irradiación: 180 min. Flujo fotónico: 8,73 × 1020 fotones s-1. N0 de UFC mL-1: 3,6 × 107.

Figura 6. Efecto sobre la sobrevida de Ent. faecalis mcs presente en una muestra de agua modelo tratada por fotocatálisis heterogénea con 0,25 g L-1 de TiO2 () y fotólisis (1) en función del tiempo de exposición a la radiación. Volumen de muestra: 300 mL. Tiempo de irradiación: 180 min. Flujo

fotónico: 8,73 × 1020 fotones s-1. N0 de UFC mL-1: 5,4 × 107.

En la inactivación fotolítica de ambas cepas, se observa la presencia de una corta fase lag inicial (ausente en la remoción fotocatalítica) la cual podría deberse al tiempo necesario para la destrucción de las envolturas celulares y consecuente liberación de los constituyentes citoplasmáticos, evidenciando la acción más efectiva de la fotocatálisis por la producción de radicales oxidantes que actúan directamente sobre las células.

0 30 60 90 120 150 180-8

-6

-4

-2

0

log

(N /

N0)

Tiempo / min

0 30 60 90 120 150 180

-8

-6

-4

-2

0

log

(N /

N0)

Tiempo / min


49

La cepa de Ent. faecalis ATCC9433 no mostró reactivación 24 hs. después de los diferentes tratamientos, mientras que la cepa mcs presentó recuperación bacteriana en todos los casos. Este resultado podría ser explicado por la existencia en la cepa sensible de sistemas de reactivación oscura que no están presentes en la de colección.

CONCLUSIONES

Tanto SODIS como FHS brindan niveles de remoción bacteriana aceptables después de 4, 6 y 8 hs. de exposición a la radiación solar en primavera y verano sin ningún efecto en días nublados y cierta protección residual durante las 24 hs. siguientes al tratamiento. La inactivación microbiana, por el efecto combinado de fotólisis y de ésta mediada por TiO2, es conceptualmente interesante porque los mecanismos de defensa de las bacterias podrían hacer a las mismas resistentes al ataque por una sola de las técnicas. El comportamiento de fotoinactivación por radicales hidroxilo generados sobre la superficie de TiO2 iluminada depende del tipo de bacterias. La recuperación de Ent. faecalis salvaje después de los tratamientos fotolíticos podría deberse a la existencia de sistemas de reactivación.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue subvencionado por OEA (Proyecto AE-141/2001), CIUNT (Proyecto G305). MCS agradece a OEA y CIUNT por las becas otorgadas.

REFERENCIAS

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Rodier, J. (1989): Análisis de las aguas. Omega, Barcelona. 1059 pp.

María C. Soria, Priscila A. Powell and María C. Apella

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2

Waters treated by photolysis and heterogeneous photocatalysis for bacterial inactivation

María C. Soria1, Priscila A. Powell1 y María C. Apella1,2,3


2Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

3Centro de Referencia para Lactobacilos (CERELA), San Miguel de Tucumán, Tucumán, Argentina

[email protected]

SUMMARY

Two effective and low-cost methods that can be easily applied in areas with low resources that do not have access to a drinking water network are the methods of Solar Disinfection by Photolysis (SODIS) and Solar Heterogeneous Photocatalysis (SHP) with TiO2 as catalyst. This work included the development of new studies to validate both technologies in natural waters extracted from wells at the community of Los Pereyra, Tucumán, Argentina, and in model waters with ionic composition is similar to that of natural waters and inoculated with coliform bacteria and Enterococcus faecalis. The efficiency of these methods was assessed considering the intensity of the deposited UV-A radiation (solar and artificial) and the number of viable bacteria after the treatment to determine the effect of residual protection against bacterial reactivation. The kinetics of photoinactivation was also studied. Both technologies provided acceptable disinfection levels after 4, 6 and 8 hours of exposure to solar radiation in summer and spring, with no effect on cloudy days and with a certain residual protection during 24 hours after the treatment. The behavior of bacterial inactivation mediated by hydroxyl radicals generated on the illuminated TiO2 surface is not only dependent on the number of these oxidizing species but also on the morphology, size and surface properties of the microorganisms, which allow a better attack, or on the lack of enzymes or other sensitive systems.


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INTRODUCTION

Groundwater is the greatest reserve of easily accessible drinking water for humanity, so its contamination is a serious problem. There are no standard values accepted globally to define drinking water, since the different countries establish such standards depending on their environmental, cultural, social and economic characteristics. The greatest risk of water-borne diseases is observed in children, old people, weak people or those who live in unsanitary conditions. Water-borne diseases may have different vectors; in general terms, the main risk of disease is associated with the intake of surface or ground waters contaminated with bacteria from human or animal feces. Infectious diseases, mostly intestinal, range from a mild gastroenteritis to severe diarrheas (sometimes fatal), hepatitis and typhoid fever.

Bacteriological analyses test for organisms that are typically found in the intestinal tract – their presence in the water indicates fecal contamination – because the variety of microorganisms that may contaminate waters is extremely numerous. The most widely used group is that of the coliforms, which include a great variety of organisms, mostly common inhabitants in the intestinal tract of warm-blooded animals (mammals and birds), that may exist as saprophytes or as intestinal microorganisms. The species Escherichia coli is the exception to the rule, since it is only found in the intestinal tract. Its presence indicates fecal contamination, whereas the presence of total coliforms indicates contamination in general without specifying its origin. Other, additional indicators of fecal contamination are fecal enterococci.

Waters that will be used for human consumption should receive previous treatment as determined by their initial quality. Disinfection implies the death or inactivation of pathogenic microorganisms (Blesa and Blanco Gálvez, 2005) and is indispensable when their presence is detected. If possible, disinfection should prevent bacterial re-growth in the storage and distribution system of waters. There are numerous water disinfection techniques of the Point of Entrance type to produce network-distributed water. In our case, interest is focused on processes of the Point of Use type, for consumption in cases where there is no distribution network available. To this end, in addition to the traditional use of bleach, the use of solar energy as basis for sustainable processes in regions with low socioeconomic development becomes very interesting. Solar disinfection (SODIS) and solar heterogeneous photocatalysis (SHP) are two efficient, economic and easily applicable methodologies that use solar energy. For their application, only sunlight, polyethylene terephtalate (PET) bottles and, in the case of SHP, TiO2 as catalyst, are needed. The SODIS method (Mereierehofer and Wegelin, 2002) consists in the exposure of PET bottles containing contaminated water for several hours to solar radiation. Solar rays act in the disinfection process by the synergic effect of UV-A radiation (315-400 nm) and infrared radiation.) The former causes photochemical reactions in essential components of the bacteria (proteins, nucleic acids), whereas the latter allows reaching temperatures above the optimal growth conditions for these bacteria and thus cause a denaturalization of proteins and oxidizing processes. The thermal effect together with the direct photonic attack leads to cell death. In SHP, the effect of UV-A radiation is coupled with photocatalytic effects that increase disinfection efficiency. Radiant energy is absorbed by a broad band semiconductor, such as TiO2, to generate strongly oxidizing free radicals, mainly hydroxyl radicals, HO•, that attack not only the components of bacterial cells, but also chemical contaminants that, in favorable cases, can be fully mineralized. The photocatalyst can be immobilized using different supports to avoid the need for subsequent separation stages to remove it from the decontaminated water.


53

Since the material is cheap and non-toxic, this technique can be applied in rural areas to obtain water that is suitable for human consumption.

In this work, a comparison is made between the effectiveness of the photolytic process and heterogeneous photocatalysis, mediated by solar (SODIS and HP) or artificial radiation, for the inactivation of the bacteria present in natural waters of Los Pereyra (Tucumán, Argentina) and model waters, analyzing the influence of the intensity of the solar or artificial radiation applied, the effect of residual protection after the treatment, and the kinetics of bacterial photoinactivation.

STUDY AREA

Los Pereyra is a rural settlement in the Province of Tucumán, 70 km to the east of the city of San Miguel de Tucumán, on Provincial Road 327, between the communities of Estación Aráoz and Los Ralos. It has about 1,000 inhabitants who mainly develop agricultural and stockbreeding activities (Figure 1). There is no network water service or sewage system in Los Pereyra; water for human consumption is extracted from shallow wells. The water from the phreatic layer presents fecal contamination, which causes serious sanitation problems in the population, generally expressed as intestinal infections.

Figure 1. Location of Los Pereyra and its shallow wells. Taken from García et al, 2003.


PET bottles with a capacity between 0.4 and 2.0 liters were used with Degussa P-25 TiO2 as photocatalyst in a concentration of 0.5 g L-1 supported on the wall of the bottles (Lin et al, 2004; Meichtry et al, in press). For the photoinactivation studies performed in the laboratory, TiO2 suspensions in final concentrations of 0.25, 0.5 and 1 g L-1 were used.

Water samples from shallow wells were taken from different domestic wells (Figure 1). Model water samples were prepared by seeding an aqueous solution (MgSO4 1.3 × 10-4

Provincial road

Railroad

Sampling point

REFERENCES


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M, CaCl2 2.3 ×10-4 M, FeCl3 9.0 × 10-6 M and NH4Cl 4.0 × 10-5 M), aerated the day before, with a fresh sewage sample inoculum taken from the San Cayetano Canal in the city of San Miguel de Tucumán or with a 12-hour culture of Enterococcus faecalis from a culture collection (ATCC9433) or with a wild sample (mcs) of intestinal origin with 107 CFU mL-1.

Bacterial count was carried out by the filtration membrane technique (APHA, 1992 and Rodier, 1989) using the selective media Endo, FC and KF for total coliforms (TC), fecal coliforms (FC) and Enterococcus faecalis, respectively. In the case of photoinactivation of collection and wild Ent. faecalis, a KF or LAPTg agar media was used (Raibaud et al, 1961).

The intensity of solar radiation at 365 nm was measured with a PUV-500 radiometer, and the light emitted by the UV-A lamps (two) by Fe(fen)3

3+ actinometry (Baxendale et al 1955).

To determine the efficiency of SODIS and SHP, volumes between 0.2 and 1.5 L of model waters inoculated with 2 mL L-1 of fresh sewage samples and volumes between 1.25 and 1.5 L of natural waters were exposed to solar radiation during different periods of time (4, 6 and 8 hours), on sunny or cloudy days, inside 0.4- to 2-liter bottles (depending on the test) with no catalyst (SODIS) or with the catalyst fixated to the wall of the bottles (SHP). To assess the residual protection effect after the treatment, the samples were left in the dark for 24 hours, after which the bacterial count was done. For the kinetic studies of Ent. faecalis photoinactivation, a reactor or disinfection unit (borosilicate glass flask with a capacity of 300 mL) and two black light blue lamps (BLB; Mp; 11 W) were used. A sample of model water inoculated with an Ent. faecalis culture was exposed to radiation during 180 minutes, with agitation and at 60 °C.

RESULTS AND DISCUSSION

Bacterial disinfection by SODIS and SHP

Figure 2A shows that there are no major differences between SODIS and SHP for the disinfection from TC and FC in model waters. The recovery of bacterial development is also similar for both groups (Figure 2B), which differs from what has been reported by Rincón and Pulgarín, 2004. Bacterial count 24 hours after the SHP test is approximately 35 CFU/100 mL. This small number may be due to different causes that range from a real effect (adsorption of viable bacteria on the catalyst) to a simple experimental problem. As regards the classification of waters following Mereierehofer and Wegelin, 2002, and considering the uncertainty in the determination, it can be said that waters remain at the null or low/intermediate risk level.

Unlike the findings for model waters, in natural waters treated by both methods a reactivation and re-growth of TC and Ent. faecalis is observed within 24 hours after exposure, which proves that the residual protection effect over these two microorganisms is limited (Tables 1, 2 and 3) under our experimental conditions.


55

Figure 2. Number of total coliforms (black bar) and fecal coliforms (gray bar) in model water samples treated by SODIS and SHP upon conclusion of the treatment (A) and 24 hs. after the

treatment (B). OS: original sample; SS: sample in SODIS bottle; SHPS: sample in SHP bottles with TiO2 fixated on the wall. Sample volume: 1.25 L in 1.5-liter bottles. Treatment time: 4 hs. Maximum

intensity of UV-A radiation: 50 W m-2.

Table 1. Bacterial detail of water samples taken from Amaya’s family well and treated by SODIS and SHP.

Original sample

Treated samples 24 hs after treatment

Bacteria

(CFU/100mL)

AO

AS

ASHP

AS

ASHP

Total coliforms 5.0 × 104 0 0 3.5 × 102 4.7 × 102

Fecal coliforms 3.6 × 103 0 0 0 0

Ent. faecalis 3.3 × 104 0 0 3 50

AS: sample in SODIS bottle; ASHP: sample in SHP bottle with TiO2 fixated on the wall. Sample volume: 1.5 L in 2-liter bottles. Treatment time: 4 hs. Maximum intensity of radiation: 50 W m-2.

0

10

20

30

MFHSMS Muestras

UFC

/ 10

0 m

L

0

10

20

30

MO MFHSMS

Muestras

(UFC

/ 10

0 m

L) x

10-4

(B) (A)

Samples Samples

(CFU

/ 10

0 m

L) x

104

(CFU

/ 10

0 m

L) x

104

OS OS SS SHPS SHPS


56

Table 2. Bacterial detail of water samples taken from Juárez’s family well and treated by SODIS and SHP.

Original sample

Treated samples 24 hs after treatment

Bacteria

(CFU/100mL) JO JS JSHP JS JSHP

Total coliforms 3.4 × 106 0 0 4.8 × 104 6.3 × 102

Fecal coliforms 1.7 × 106 0 0 0 0

Ent. faecalis 4.7 × 103 4.7 × 103 80 0 5.3 × 106

JS: sample in SODIS bottle; JSHP: sample in SHP bottle with TiO2 fixated on the wall. Sample volume: 1.5 L in 2-liter bottles. Treatment time: 4 hs. Maximum intensity of radiation: 60 W m-2.

Table 3. Bacterial detail of water samples taken from Juárez (J) and Flores’ (F) family wells treated by SHP.

Original samples Treated samples 24 hs after treatment

Bacteria (CFU/100mL)

JO

FO

JSHP

FSHP

JSHP

FSHP

Total coliforms 4.8 × 104 6.3 × 102 0 0 4.8 × 104 6.3 × 102

Fecal coliforms 1.2 × 103 6.3 × 102 0 0 0 0

Ent. faecalis 2.8 × 102 2.6 × 102 0 0 3.4 × 105 4.4 × 105

JSHP and FSHP: samples treated in SHP bottles with TiO2 fixated on the wall. Sample volume: 1.5 L in 2-liter bottles. Treatment time: 4 hs. Maximum intensity of radiation: 60 W m-2.

Efficiency of the SHP method on cloudy days

The treatment for SHP was not efficient for disinfection on cloudy days (Table 4), as it had been previously demonstrated for model waters treated by SODIS and SHP with


57

TiO2 supported on porcelain beads for 4 hours (Powell, 2005). The time in hours needed to obtain a bacterial reduction of 90% or in an order of magnitude, determined by calculating the decimal reduction time (D = t / (log N0/N), where N0 and N are the initial populations at time t, respectively), are very long (DCTJ: 7 and DCFJ: 8; DCTA: 3 and DCFA: 7). In this case, despite a greater irradiation time (6 hs.) it was not enough to achieve total disinfection either. It should be noted that these tests were carried out in fall and winter months, when temperatures and the intensity of solar radiation are lower than those corresponding to spring and summer, so bactericide action is lower. This result is possibly due to the fact that, under these conditions, defense mechanisms of microorganisms survive oxidative stress and get reactivated. The number of bacteria 24 hours after the treatment was higher than that found with irradiation, which can be explained for the same reason. Table 4. Bacterial detail of water samples taken from Juárez and Amaya’s family wells and treated

by SHP on a cloudy day.

Original samples Treated samples 24 hs after treatment

Bacteria (CFU/100mL)

JO

AO

JSHP

ASHP

JSHP

ASHP

Total coliforms 6.7 × 104 7.8 × 103 8.1 × 103 1.2 × 102 3.4 × 103 2.3 × 103

Fecal

coliforms 4.0 × 104 6.3 × 103 7.0 × 103 8.0 × 102 1.6 × 103 1.5 × 103

JO and AO: initial conditions of water samples taken from the Juárez (J) and Amaya (A) family wells, respectively; JSHP and ASHP: samples treated by SHP with TiO2 fixated on the wall.

Irradiated volume: 1.0 L in 1.5-liter bottles. Treatment time: 6 hs

Bacterial inactivation by SHP

Figure 3 shows the inactivation results of an 8-hour SHP treatment on a sunny day for total coliforms (TC), fecal coliforms (FC) and Ent. faecalis present in 1 liter of water taken from the well of the Juárez family.


58

Figure 3. Inactivation of TC ( ), FC ( ) and Ent. faecalis ( ) present in water taken from the well of the Juárez family treated by SHP with TiO2 fixated on the wall of the bottle. Sample volume: 1.5 L

in 2-liter bottles. Irradiation time: 8 hs. N0 of TC: 6,3 × 105 CFU/100 mL; N0 of FC: 5,5 × 104 CFU/100 mL; N0 of Ent. faecalis: 1,6 × 103 CFU/100 mL.

The inactivation of TC and FC, even though not complete, resulted in a reduction of 5 and 3.5 log, respectively, after 8 hours of irradiation. Inactivation kinetics is in agreement with the Crick and Watson model (Cho et al, 2004). The specific disappearance speed constant is higher for TC (1.91 hs-1) than for FC (1.40 hs-1). Ent. faecalis was completely inactivated with 4 hours of irradiation. The greatest sensitivity of this strain as compared with TC and FC is possibly due to the difference in size and surface structures, which allow a better attack by the HO• radicals, or to the absence of enzymes or other sensitive systems. After 24 hours, the three indicators were non-cultivable. It is likely that, during this time, the lower number of microorganisms allowed a greater contact with the remaining species responsible for the inactivation.

The effect of the treatment by SHP observed in natural waters was not similar to the one found in model waters inoculated with Ent. faecalis ATCC9433. As Figure 4 shows, total inactivation could not be reached when treating this strain by SHP with 8 hours of exposure to solar radiation, whereas it was possible with SODIS. In addition to this, neither treatment was effective in the residual protection against this strain.

0 2 4 6 20 22 24-6

-4

-2

0

log

(N /

N 0)

Tiempo / h

Time / h


59

Figure 4. Effect on the survival of Ent. faecalis ATCC9433 present in model water as a function of solar exposure time treated by SODIS ( ) and SHP with TiO2 fixated on the wall of the bottle ( ).

Sample volume: 0.2 L in 0.4-liter bottles. Irradiation time: 8 hs. N0 of CFU mL-1: 3.6 × 107.

Inactivation of collection and wild Ent. faecalis by photolysis and heterogeneous photolysis

Total inactivation of Ent. faecalis ATCC9433 by heterogeneous photocatalysis took place at 60 minutes with a concentration of TiO2 of 1 g L-1, whereas with 0.25 g L-1 and by photolysis, it was achieved after 180 minutes (Figure 5) with specific speed constants of 0.30 and 0.10 min-1, respectively. In the case of Ent. faecalis mcs, total inactivation was achieved after 180 minutes of irradiation without catalyst and with catalyst in a concentration of 0.25 g L-1 with the same specific speed constant (0.10 min-1), as shown in Figure 6. The inactivation of Ent. faecalis ATCC9433 at faster times is a consequence of the greater production of HO•, which is the species mainly responsible for the destabilization of external cell structures.

0 2 4 6 8 20 22 24

-6

-4

-2

0

log

(N /

N 0)

Tiempo / h

Time / h


60

Figure 5. Effect on the survival of Ent. faecalis ATCC9433 present in a sample of model water treated by heterogeneous photocatalysis with 1 ( ) and 0.25 () g L-1 of TiO2, and photolysis (1)

as a function of exposure time to radiation. Sample volume: 300 mL. Irradiation time: 180 min. Photonic flow: 8,73 × 1020 photons s-1. N0 of CFU mL-1: 3.6 × 107.

Figure 6. Effect on the survival of Ent. faecalis mcs present in a sample of model water treated by heterogeneous photocatalysis with 0.25 g L-1 of TiO2 () and photolysis (1) as a function of

exposure time to radiation. Sample volume: 300 mL. Irradiation time: 180 min. Photonic flow: 8,73 × 1020 photons s-1. N0 of CFU mL-1: 5.4 × 107.

In the photolytic inactivation of both strains, the presence of an initial brief lag phase is observed (not present in photocatalytic removal), which could be due to the time needed to destroy cell membranes and cause the consequent release of cytoplasmatic

0 30 60 90 120 150 180-8

-6

-4

-2

0

log

(N /

N0)

Tiempo / min

Time / h

0 30 60 90 120 150 180

-8

-6

-4

-2

0

log

(N /

N0)

Tiempo / min

Time / h


61

components. This would prove a more effective action of photocatalysis thanks to the production of oxidizing radicals that act directly on the cells.

The Ent. faecalis ATCC9433 strain did not show reactivation 24 hours after the different treatments, whereas the mcs strain presented bacterial recovery in all cases. This result could be explained by the existence of a sensitive strain of dark reactivation systems that are not present in the collection strain.

CONCLUSIONS

Both SODIS and SHP provide acceptable bacterial removal levels after 4, 6 and 8 hours of exposure to solar radiation in summer and spring, with no effect on cloudy days and with a certain residual protection during 24 hours after the treatment. Microbial inactivation by the combined effect of photolysis and photolysis with TiO2 is conceptually interesting because the defense mechanisms of bacteria could develop resistance to the attack by only one of these techniques. The behavior of photoinactivation by hydroxyl radicals generated on the illuminated surface of TiO2 depends on the type of bacteria. The recovery of wild Ent. faecalis after photolytic treatments could be due to the existence of reactivation systems.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was financed by OAS (Project AE/141/2001), CIUNT (Project G305). MCS thanks OAS and CIUNT for the scholarships granted.

BIBLIOGRAPHY

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Rodier, J. (1989): Análisis de las aguas. Omega, Barcelona. 1059 pp.

Wilson F. Jardim y Cassiana Montagner

63

3

Aplicación de la FH en la desinfección de aguas usadas para consumo doméstico en la comunidad de Riacho da Serra en São José do Sabugi, PB, Brasil


Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, SP, Brasil

[email protected]

RESUMEN

Se realizaron ensayos preliminares en laboratorio con el objetivo de optimizar la fotocatálisis heterogénea para proveer una desinfección limpia y eficaz de agua contaminada para consumo doméstico. Dos procedimientos presentaron mejores resultados; en el primero, el TiO2 fue incorporado en varillas de vidrio por el método sol-gel, usando isopropóxido de titanio como precursor de la síntesis, y en el segundo procedimiento, el TiO2 fue impregnado en el interior de botellas PET usando una dispersión acuosa 10% m/v de TiO2 Degussa P-25. Se evaluó la eficiencia de la fotocatálisis heterogénea frente a SODIS primeramente en la degradación de compuestos orgánicos modelo, y posteriormente en la desinfección de las aguas destinadas al consumo humano y animal de la Comunidad Riacho da Serra, en São José do Sabugi, en la región del “sertão” del Estado de Paraíba, nordeste brasileño.

INTRODUCCIÓN

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) declaró al año 2003 como el “Año Internacional del Agua Potable”, reforzando la importancia de este bien de consumo en la mejora de la calidad de vida. En regiones pobres del Tercer Mundo, la contaminación del agua induce problemas sociales, económicos y de salud, tales como enfermedades endémicas fatales (hepatitis, fiebre tifoidea y cólera). En este sentido, la falta de acceso

Aplicación de la FH en la desinfección de aguas usadas para consumo doméstico en la comunidad de Riacho da Serra en São José del Sabugi, PB, Brasil

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al agua potable representa un grave riesgo de la salud. Datos de la Organización Mundial de la Salud muestran que cada año casi 3,5 millones de personas, la mayoría niños, mueren debido la enfermedades asociadas a las diarreas que, generalmente, se originan debido la las condiciones insalubres del agua. De estas muertes, 80000 ocurren en América Latina. Otro dato interesante es que de los 1200 millones de personas con acceso restringido al agua potable, 800 millones viven en zonas rurales, donde las condiciones de vida, asistencia médica y prevenciones de enfermedades son muy inferiores en comparación con las zonas urbanas.

En Brasil, 75% de los municipios tienen algún tipo de red de distribución de agua. En relación al sistema cloacal, 48% de los municipios no tienen sistema de recolección, solamente 32% colectan y sólo 20% de los municipios hacen recolección y tratamiento del sistema cloacal. Este cuadro es más grave en la región nordeste del país, según datos del censo de 2000 del IBGE (Instituto Brasileño de Geografía y Estadística) (IBGE, 2000). Una de las alternativas usadas por las personas que no reciben agua potable son los embalses y pozos sépticos, lo cual produce la contaminación de las aguas locales.

La Norma 518 del Ministerio de Salud, del 25 de marzo de 2004, establece los procedimientos y responsabilidades relativas al control y vigilancia de la calidad del agua para consumo humano y su nivel de potabilidad. En el capítulo 2, artículo 4º, se establecen las siguientes definiciones:

I-Agua potable: agua para consumo humano cuyos parámetros microbiológicos, físicos, químicos y radioactivos cumplan con el nivel de potabilidad y que no ofrezca riesgos a la salud.

VIII- Escherichia coli: bacteria del grupo coliforme que fermenta lactosa y manitol, con producción de ácido y gas a 44,5 ± 0,2 °C en 24 horas, que produce indol a partir del triptofano, oxidasa negativa, no hidroliza la urea y presenta actividad de las enzimas β-galactosidasa y β-glucoronidasa, siendo considerada el indicador más específico de contaminación fecal reciente y de presencia eventual de organismos patogénicos.

Capítulo IV. Del nivel de potabilidad

Art. 11º) El agua potable debe estar en conformidad con el nivel microbiológico conforme a la Tabla 1:


65

Tabla 1: niveles microbiológicos de potabilidad del agua para consumo humano.

Parámetro Valor máximo permitido (VMP)

Agua para consumo humano

Escherichia coli y coliformes termotolerantes

Ausencia en 100 mL

Agua a la salida del tratamiento

Coliformes totales Ausencia en 100 mL

Agua tratada en el sistema de distribución (reservorios y redes)

Escherichia coli y coliformes termotolerantes

Ausencia en 100 mL

Sistemas que analizan 40 o más muestras por mes: ausencia en 100 mL en 95% de las muestras examinadas en el mes

Coliformes totales

Sistemas que analizan 40 o más muestras por mes: solamente una muestra podrá presentar por mes resultado positivo en 100 mL

Nótese que la legislación brasileña es rigurosa en el control de los grupos patogénicos. Sin embargo, en lugares donde se utilizan aguas de embalses, existe poca fiscalización.

Teniendo en cuenta la realidad del saneamiento básico en Brasil, el objetivo del trabajo fue optimizar la fotocatálisis heterogénea utilizando TiO2 como catalizador, como alternativa simple y barata aplicada a la desinfección y actividad alguicida en aguas para consumo humano. Se intentó desarrollar un método para soportar el catalizador dióxido de titanio (TiO2) y evaluar su actividad catalítica en la degradación de compuestos orgánicos, y posteriormente en la inhibición de coliformes totales, Escherichia coli y su acción alguicida en aguas naturales.

En la primera etapa del trabajo, se estudió la mejor manera de incorporar el catalizador en polidimetilsiloxano (PDMS), que no dio buenos resultados, (b) en varillas de vidrio por método sol-gel y (c) en el interior de botellas PET (polietiléntereftalato) mediante impregnación con una suspensión acuosa de TiO2.

Se realizó la evaluación de la actividad catalítica del TiO2 incorporado en la degradación de compuestos orgánicos como ácido dicloroacético y fenol. El monitoreo de la degradación de los compuestos modelo fue realizado por medio de la medición de carbono orgánico total (COT).

En la segunda etapa del trabajo, se evaluó la actividad biocida (inhibición microbiológica y de algas) del TiO2 incorporado en varillas de vidrio, usando muestras de


66

aguas naturales. El monitoreo microbiológico y alguicida fue realizado usando el kit Colilert (Eaton, 2002) (para grupos de coliformes totales y E. coli) y el método espectrofotométrico clásico para determinación de clorofila a (Witzel y Likens, 1979), respectivamente.

En la tercera etapa, se realizó una campaña que intentó aplicar la FH en la desinfección de aguas usadas para consumo de moradores de la comunidad Riacho da Serra en la ciudad de São José do Sabugi, localizada en la región “sertão” del Estado de Paraíba, en el nordeste brasileño.

LOCALIZACIÓN DEL SITIO DE ESTUDIO

La comunidad Riacho da Serra pertenece a la zona rural de la ciudad São José do Sabugi, situada en el estado de Paraíba, en el nordeste brasileño. Su posición geográfica está determinada por el paralelo 6°48’45’’ S en su intersección con el meridiano 36°48’45’’ O (Figura 1). De acuerdo con el censo del Instituto Brasileño de Geografía y Estadística (IBGE), el municipio tiene una población de 3900 habitantes, en un área territorial de 215 km2. São José do Sabugi posee clima semiárido caliente, caracterizándose por presentar una gran irregularidad en su régimen pluviométrico, que depende de las masas de aire que vienen del litoral y del oeste. Su localización sobre la depresión del Piranhas y la presencia, en las inmediaciones, de la Sierra de la Borborema, constituyen las principales barreras físicas para la existencia de un clima más agradable y para la regularización del régimen de las lluvias.

Los registros de temperatura dan valores que oscilan entre 25 °C y 28 °C. Las precipitaciones pluviométricas medias anuales del área están en torno de 550 mm, con lluvias concentradas en los meses de enero a abril, habiéndose producido, en las últimas décadas, períodos de grandes irregularidades en el régimen de lluvias en toda región del Seridó, como es llamada la región.


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Figura 1: A) Mapa geográfico del Brasil destacando el estado de la Paraíba en la región nordeste; B) mapa del estado de Paraíba donde se destaca en rojo la ciudad de São José do Sabugi, lugar

escogido para este trabajo

El clima semiárido y los suelos rasos y pedregosos constituyen las condiciones para el desarrollo de la caatinga, vegetación subxerófila, cuyos componentes predominantes son pequeños árboles y arbustos, generalmente espinosos, que forman agrupamientos densos, o con árboles dispersos. Con frecuencia se presentan plantas acumuladoras de agua y un estrato herbáceo efímero. En el municipio se encuentran las áreas de caatinga arbórea, con palmeras; actividad ganadera, con la utilización de la vegetación de la caatinga como pasturas naturales, y de subsistencia, que alteran profundamente las características primitivas de la vegetación.

SECCIÓN EXPERIMENTAL

Primera etapa: preparación del catalizador

TiO2 inmovilizado en superficie de vidrio por método sol-gel

El dióxido de titanio fue incorporado a la superficie de vidrio por un método sol-gel, consistente en la hidrólisis seguida de condensación de un alcóxido del catalizador (isopropóxido de titanio), catalizada por ácido. La reacción se describe abajo:

Ti(i-PrO)4 + 2H2O → TiO2 + 4 i-PrOH (1)

Región Sur

Región Sudeste

Región Centro-Oeste

Región Nordeste

Región Norte

A

B

Paraíba


68

Para la síntesis fueron preparadas dos soluciones, llamadas solución A y solución B, respectivamente, las cuales fueron mezcladas formando el sol de catalizador. Esta mezcla fue incorporada a la superficie de varillas de vidrio por dip-coating y en placas de Petri, recubriendo la superficie y retirando el exceso de la solución. Inicialmente, las superficies de vidrio que iba a ser recubiertas por el catalizador (varillas de vidrio y placas de Petri) fueron esmeriladas con arena para que el proceso de adsorción fuese más eficiente.

Solución A: en un erlenmeyer se mezclaron 22,5 mL de agua desionizada y 0,05 g de TiO2 P25, ajustando a pH 1 con algunas gotas de HNO3 concentrado. Se agitó por 1 hora. La solución fue ultrasonicada por 20 minutos para la remoción de burbujas.

Solución B: En otro erlenmeyer se mezclaron 12 mL de isopropóxido de titanio, 12 mL de ácido acético, 15 mL de isopropanol y 2,5 mL de ácido nítrico, y se agitó por 2 horas.

A continuación, se mezclaron las soluciones A y B, agitándose por 6 horas, formándose una suspensión blanca viscosa. EL procedimiento de curado se realizó a 50 °C por 1 h., 250 °C por 1,5 h. y 450 °C por 2 hs. El proceso de dip-coating se repitió para aumentar el número de capas adsorbidas al sustrato.

Sobre el proceso de dip-coating: el sustrato (varilla de vidrio esmerilada) fue sumergido en la solución durante 3 minutos y retirado con velocidad controlada, evaporándose el solvente subproducto de la hidrólisis, y formándose el gel (película).

Figura 2: Etapas del proceso de dip-coating (Candal, 2001)

Inmovilización de TiO2 en el interior de botellas PET

La película del catalizador fue preparada a partir de una suspensión 10% (m/v) de TiO2 P25 en agua desionizada y se ajustó el pH 2 con algunas gotas de ácido perclórico. Se distribuyó la suspensión en el interior de botellas PET, cubriendo toda la superficie y retirando el exceso. El curado se realizó en estufa a 60 °C por 2 horas.


69

Segunda etapa: verificación de la eficiencia del catalizador

Evaluación de la actividad catalítica en la degradación de compuestos orgánicos

La evaluación de la actividad catalítica de las películas se realizó por determinación de carbono orgánico total (COT) empleándose un equipo Shimadzu, modelo TOC 5000. Se verificó que el cloruro liberado en la degradación del ácido dicloroacético causaba problemas en la determinación de COT y por eso este compuesto fue posteriormente sustituido por una solución 25 mg L-1 de fenol.

La reacción de degradación del ácido dicloroacético (ADA) puede escribirse:

Cl2CHCOOH + TiO2 + hν → 2 CO2 + 2 HCl (2)

El Esquema 1 indica los pasos de la reacción de degradación de fenol (Sobczynski, 2004). Nótese que la reacción de degradación del ácido dicloroacético es simple, tratándose de un compuesto que es fácilmente mineralizable. Por otro lado, la degradación del fenol pasa por algunos intermediarios estables y, por tanto, es un compuesto recalcitrante, más difícil de ser degradado.

En todos los experimentos de evaluación de la actividad catalítica usando compuestos modelo se usó 1 litro de solución a ser degradada (ADA 1 mmol L-1, fenol 25 mg L-1) en botellas PET de agua mineral de 1,5 L conteniendo varillas o películas incorporadas. En cada ensayo se disponía de un grupo de botellas conteniendo el catalizador y otro grupo de botellas sin catalizador, que se expusieron al sol; otros dos grupos, con y sin catalizador quedaron en la oscuridad, y un quinto grupo conteniendo solamente el catalizador y agua desionizada, sin la solución a ser degradada, fue expuesto al sol con la finalidad de evaluar la lixiviación de la película de TiO2.

Esquema 1. Pasos de degradación fotocatalítica de fenol

El grupo de botellas con el catalizador expuesto al sol se usó para evaluar la actividad catalítica de la película incorporada por FH; el segundo grupo sin catalizador expuesto al sol, se usó para evaluar la degradación de los compuestos solamente por acción de la radiación solar (SODIS) y evaporación. Como controles, se usaron los grupos que quedaron en la oscuridad observándose degradación solamente por calor. El tiempo de


70

exposición al sol fue de 2 horas, entre las 12:00 y las 14:00, en días de cielo claro y sin nubes.

Evaluación de la actividad biocida del catalizador

Se realizaron ensayos alguicidas y microbiológicos con muestras de agua del lago existente en el Parque Profesor Hemógenes Leitión Filho (próximo a la UNICAMP). Se realizó el monitoreo de la degradación (mineralización) de la materia orgánica mediante el análisis de carbono orgánico total (COT). Las muestras fueron previamente filtradas por membranas de 0,45 µm, antes de ser inyectadas en el equipo, para eliminar el particulado interferente.

La actividad alguicida fue evaluada después del ensayo, y también después de 24 y 48 horas de exposición solar, monitoreando así el recrecimiento de las algas en ese período. Estos análisis se realizaron por el método espectrofotométrico de determinación de clorofila a. La inhibición microbiológica se monitoreo después el ensayo para la determinación de coliformes totales y E. coli.

El método espectrofotométrico para determinación de la clorofila a consta de los siguientes pasos:

• Preparación de la muestra: se filtraron 100 mL de la muestra, utilizando un Kitasato y una bomba de vacío y una membrana de celulosa con poros de 0,45 µm.

• Extracción: el filtro fue removido con una pinza y llevado a un tubo de ensayo. La extracción se hizo con 4 mL de solución de acetona alcalina 90% (obtenida adicionando a la solución 90%, 2 ó 3 gotas de NH4OH concentrado). La muestra fue agitada hasta que todo el filtro se disolviera y después centrifugada.

• Medida espectrofotométrica: el sobrenadante se transfirió a una cubeta y se realizó la lectura a dos longitudes de onda: 665 y 750 nm, respectivamente. El blanco se realizó con la solución de acetona alcalina.

• Obtención de la concentración de clorofila a: se realizó mediante la siguiente expresión matemática:

[clorofila a] = (K). (F). (A665nm – A750nm). (v) / (V). (Z)

donde:

(K) = coeficiente de absorción de la clorofila a = 11,0

(F) = factor de corrección para absorbancia de clorofila a = 2,43

(A665nm – A750nm) = absorbancia de la clorofila a a 665 nm y 750 nm

(v) = volumen extraído con acetona alcalina = 4 mL

(V) = volumen de muestra filtrada

(Z) = tamaño de camino óptico de la cubeta = 1 cm


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El método Colilert se basa en el ensayo enzima-sustrato que utiliza sustratos hidrolizables para la detección simultánea de enzimas del grupo coliforme total y Escherichia coli. Cuando se usa la técnica enzimática, el grupo coliforme total se define como el conjunto de bacterias poseedoras de la enzima β-D-galactosidasa, la cual ataca el substrato cromogénico (ONPG, orto-nitrofenil-β-D-galactopiranósido), resultando en la liberación del cromógeno (amarillo).

La Escherichia coli se define como el tipo de bacteria capaz de dar positivo el ensayo para coliformes totales, además de poseer la enzima β-glucuronidasa, capaz de atacar un substrato fluorogénico (MUG, 4-metilumbeliferil-β-D-glucurónido), liberando fluorógeno, un producto fluorescente que absorbe radiación UV a 366 nm. Como la mayoría de los coliformes no tiene esta enzima, no pueden crecer e interferir en el resultado.

La cuantificación se realizó siguiendo las etapas ilustradas en la Figura 3:

• Se recogieron 100 mL de muestra en un frasco estéril y se agregó el contenido del frasco Colilert 24 horas.

• Se transfirió el contenido del frasco dentro del dispositivo Quanti-Tray / 2000 para conteo de 1 a 2400 NMP, sin diluciones.

• Se selló el dispositivo, obteniéndose distribución homogénea de la muestra y dejó en incubadora a 35° C por 24 horas.

• Después de 24 horas, se efectuó la lectura del resultado (conteo de dos cubos con resultados positivos y verificación en la tabla NMP):

o Coloración amarilla: positivo para coliformes totales

• Exposición a la luz UV - 366 nm y ensayo enzima-sustrato

o Fluorescencia: resultado positivo para E. coli.

(1) (2) (3) (4)

Figura 3: Etapas del ensayo de cuantificación del método Colilert

Las muestras fueron recogidas por la mañana, y acondicionadas en botellas PET (1,5 L de muestra aproximadamente) y expuestas al sol por algunas horas, en días de cielo claro y sin nubes. La temperatura fue medida la lo largo del ensayo, usándose un termómetro digital.


72

Tercera etapa: aplicación de FH y SODIS en aguas usadas para consumo humano en la comunidad de Riacho da Serra

Con el objetivo de comparar los procesos SODIS y FH en la eficiencia de desinfección microbiológica de agua, fueron realizados cinco ensayos diferentes:

• Fotocatálisis Heterogénea utilizando varillas de vidrio como soportes para el catalizador TiO2 (FH-varilla). En este ensayo, seis varillas con TiO2 en la superficie fueron colocadas dentro de cada una de las botellas PET que contenían agua contaminada.

• Fotocatálisis Heterogénea utilizando el catalizador TiO2 incorporado en la superficie interna de la botella PET (FH-PET). Para ello se preparó una suspensión acuosa 10% m/v conteniendo el catalizador, y el mismo fue incorporado en el interior de la botella.

• SODIS: es un proceso conocido en que se utiliza solamente la botella PET transparente con agua contaminada, que se expone al sol por lo menos durante seis horas.

• SODIS-Negro: se refiere al proceso SODIS utilizando una botella transparente en la cual la mitad de la pared externa está pintada de negro. Ese recurso promueve un aumento en la temperatura del agua y mejora la eficiencia de desinfección.

• Control Oscuro: la muestra contaminada se colocó dentro de la botella PET, la cual fue envuelta con papel aluminio, manteniendo la muestra en la oscuridad. En este ensayo, la temperatura del agua no aumenta como en el caso de SODIS, manteniéndose en 35 °C, con lo cual prevalece el crecimiento de los microorganismos.

El procedimiento consistió básicamente en colocar el agua contaminada dentro de las botellas PET y exponer las mismas al sol por algunas horas. El experimento fue realizado el 4 de enero de 2006. El cielo se mantuvo claro y sin nubes durante todo el tiempo. La muestra de agua fue recogida del pozo del sitio Várzea Alegre del Seu José Domingos Dantas, el cual es utilizado por la población, por animales y para la irrigación y, es el pozo más contaminado de todos los de la región. Los cinco ensayos (SODIS, SODIS-Negro, FH-varilla, FH-PET y Control Oscuro) fueron hechos simultáneamente, usando botellas PET de 2 litros transparentes de la misma marca, previamente limpiadas con agua y jabón para remover cualquier residuo de refresco.

La muestra de agua fue recogida a las 8:00 de la mañana en un balde limpio, y transferida a un recipiente de isopor con capacidad para 60 litros donde fue homogeneizada con varillas de vidrio estériles. Las botellas PET fueron lavadas, sumergiéndolas en baldes conteniendo la muestra, para remover residuos externos y después completadas con la muestra en el mismo lugar de la recolección, protegidas de la luz solar. Las botellas conteniendo la muestra fueron inmediatamente llevadas al laboratorio donde el volumen de agua por botella fue estandardizado en 1,7 litros y luego expuestas al sol desde las 9:00 a las 15:00, totalizando 6 horas de exposición solar. La temperatura de la muestra era de 27 °C, y la del aire en el momento de la recolección de 30 °C.


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osc sol cont osc cont sol 0

102030405060708090

100

C re

man

ente

(%)

3 capas deTiO2 5 capas deTiO2

La intensidad de radiación solar fue medida a 365 nm durante las seis horas del experimento, utilizando un radiómetro marca Cole-Parmer Instrument Company, serie 9811. Se midió la intensidad de radiación máxima y la incidente en la muestra.

La temperatura de las muestras se midió durante el tiempo de exposición al sol en una botella PET transparente (SODIS), en otra botella cuya mitad del lado externo fue pintada de negro (SODIS-Negro) y en otra que fue envuelta con papel aluminio (Control Oscuro).

Con el objetivo de evaluar la cinética de desinfección microbiológica, y conocer el tiempo necesario para alcanzar la desinfección del agua, así como evaluar si hubo recrecimiento microbiológico después de 24 horas, se separó para cada ensayo (SODIS, SODIS-Negro, FH-varilla, FH-PET y Control Oscuro) cinco botellas y otras tres para control de la temperatura. Todas las botellas fueron colocadas al sol por 9 horas. Después de 1 hora de exposición, se retiró una botella de cada ensayo para análisis de pH, conductividad, carbono orgánico total (COT), coliformes totales y E. coli. El mismo se efectuó para 2, 4 y 6 horas de exposición, y después de cuatro horas, dos botellas de cada ensayo fueron retiradas para obtener análisis por duplicado.


Evaluación de la actividad catalítica en la degradación de compuestos orgánicos

La Figura 4 muestra el gráfico del porcentaje de carbono remanente del ensayo fotocatalítico de degradación de ácido dicloroacético 1,0 mmol L-1 usando solamente las varillas de vidrio con el catalizador incorporado. Se realizaron dos experimentos: el primero con la incorporación de tres capas del catalizador y el segundo con cinco capas de TiO2 incorporado. Con la incorporación de tres capas de catalizador, no hubo actividad fotocatalítica en las varillas. Con cinco capas de catalizador hubo una degradación de 12,6% de ácido dicloroacético. Nótese que a mayor cantidad de capas incorporadas al substrato, mayor fue la actividad catalítica del catalizador.

Figura 4: ensayo de actividad catalítica en la degradación de ácido dicloroacético 1,0 mmol L-1 (osc: botellas con catalizador mantenida en la oscuridad; sol: botellas con catalizador expuestas al

sol; cont osc: botellas sin catalizador mantenidas en la oscuridad; cont sol: botellas sin catalizador expuestas al sol (SODIS).


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Ensayos de degradación de fenol 25 mg L-1 con las varillas de vidrio no presentaron actividad catalítica significativa. Se analizó también la lixiviación de la película de TiO2 de las varillas de vidrio durante los ensayos fotocatalíticos. Se observó lixiviación mínima de aproximadamente 1% del catalizador de las varillas de vidrio.

La evaluación de la eficiencia de degradación de una solución de fenol 25 mg L-1 con FH usando el TiO2 incorporado en el interior de botellas PET mostró solamente un 10% de degradación del fenol y sin lixiviación de la película, sin que después del tercer ensayo consecutivo hubiese pérdida del catalizador incorporado.

Acción biocida del catalizador

Los primeros ensayos tuvieron el tiempo de exposición al sol como variable controlada. Para ello, se expuso un conjunto completo de botellas por 2 horas y otro por 5 horas al sol. Se concluyó que dos horas de exposición no eran suficientes para que se produjese inhibición de las algas y, por lo tanto, se establecieron 5 horas de exposición solar para los próximos ensayos. La Figura 5 muestra el resultado del primer ensayo alguicida, usando varillas con TiO2, en una muestra de agua natural, luego de un evento de “bloom” de algas (el “bloom” de algas es el recrecimiento espontáneo, que ocurre debido a cambios rápidos de temperatura a lo largo del día). El monitoreo se realizó (a) antes de la exposición al sol, (b) después de la exposición, (c) después de 24 horas y (d) después de 48 horas, para evaluar el recrecimiento de algas en ese período.

Nótese que en el proceso de fotocatálisis heterogénea con 5 hs. de exposición solar no hubo un recrecimiento significativo de las algas después de 24 y 48 horas del ensayo, presentando una eficiencia de 75% en la acción alguicida. Comparando con SODIS en el ensayo de 2 horas (sol-gel a 2 hs.) no hubo disminución en la concentración de algas después de la exposición solar, habiendo también un gran recrecimiento de la misma después de 24 horas de la realización del ensayo.

Figura 5: Variación de la concentración de clorofila a (poder alguicida) en los ensayos de FH después de 2 y 5 horas de exposición solar.

0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

control 2 hs. sol-gel A 2 hs. control 5 hs. sol-gel A 5 hs.

Clo

rofil

a (µ

g/L)

tiempo (hs.)


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La Figura 6 muestra el resultado del ensayo alguicida, con 5 horas de exposición solar, en muestras de aguas naturales. El objetivo fue evaluar la eficiencia de la FH frente a SODIS, teniendo como control el ensayo oscuro. Se observó que tanto con la FH como el SODIS no hubo recrecimiento de las algas después de 24 y 48 horas de exposición al sol, aunque la FH presentó, en media, una eficiencia 20% superior a SODIS en la inhibición del crecimiento de las algas.

Figura 6: Comportamiento alguicida de FH versus SODIS

Teniendo en cuenta el ciclo redox generado durante el proceso de fotocatálisis, se intentó evaluar la capacidad de degradación de la materia orgánica presente en las muestras de agua, aunque los resultados no fueron los esperados. Se observó un aumento del COT de aproximadamente 25%, en los ensayos de FH y SODIS en lugar de una disminución de ese valor referente a la degradación de la materia orgánica. Ese aumento en el valor de COT se debe principalmente a liberación de materia orgánica intracelular por la acción biocida del proceso.

La Tabla 2 presenta los resultados del ensayo microbiológico realizado con TiO2 incorporado por el método sol-gel frente a SODIS, y teniendo como control el ensayo oscuro. La eficiencia está dada por la expresión log N/No, que corresponde a la relación del número de microorganismos final por el inicial.

Se observó que la FH presentó eficiencia 23 veces mayor que SODIS en la inhibición microbiológica. Hubo un aumento del número de microorganismos en los controles oscuros, probablemente debido al pequeño aumento de la temperatura en las muestras de agua de ese grupo, que propició un crecimiento bacteriano significativo.

Se notó también que tanto FH como SODIS son procesos de desinfección que presentan mayor eficiencia en la inhibición de coliformes totales que para E. coli, indicando la mayor resistencia de este último.

0 10 20 30 40 50

20

40

60

80

100 Oscuro SODIS FH

Clo

rofil

a (u

g/L)

tiempo (hs.)


76

Tabla 2: Resultados de los ensayos para coliformes totales y E. coli, después de 5 horas de exposición solar

Coliformes totales E. coli Ensayos experimentales

NMP/100 mL Eficiencia (-log N/No)

NMP/100 mL Eficiencia (-log N/No)

Muestra inicial 18700 1000

FH sol-gel A 17 3,0 12 1,9

FH sol-gel B 74 2,4 50 1,3

SODIS 400 1,7 80 1,1

Oscuro 39900 -0,33 1000 0

Oscuro + sol-gel A 43200 -0,36 1000 0

Oscuro + sol-gel B 22600 -0,08 2000 -0,3

Aplicación de FH y SODIS en aguas usadas para consumo humano en la comunidad Riacho da Serra

La intensidad de radiación máxima fue de 2,90 mW cm-2, manteniéndose próxima a ese valor en el período de 9:30 a 14:30. El pH de las muestras se mantuvo entre 7,2 en la muestra inicial y 7,6. La conductividad en la muestra inicial fue de 1093 µS cm-1 y los valores variaron entre 1084 y 1110 µS cm-1 durante las seis horas del experimento.

La variación en el aumento de la temperatura en los ensayos SODIS, SODIS-Negro y Control Oscuro puede observarse en la Figura 7. La mayor temperatura se alcanzó con la botella PET que tenía la mitad de la su superficie externa pintada de negro.


77

Figura 7: Variación de la temperatura de las muestras de agua en botellas PET durante seis horas de exposición al sol.

En el caso de los trabajos de campo realizados en São José do Sabugi, la muestra inicial del pozo Várzea Alegre presentó una concentración de coliformes totales igual a 2400 NMP/100mL. El decrecimiento en la concentración de los microorganismos, en los cinco ensayos estudiados ocurrió conforme a lo presentado en la Figura 8. Con seis horas de exposición solar, la desinfección de la muestra de agua contaminada fue obtenida con los cuatro ensayos evaluados (FH-varilla, FH-PET, SODIS, SODIS-Negro), y, por lo tanto, aparentemente todos presentaron la misma eficiencia de desinfección.

Con el estudio de la cinética fue posible observar algunos aspectos importantes relacionados al tiempo de exposición de las muestras contaminadas. En el ensayo SODIS-Negro se verificó la desinfección después de 4 horas de exposición solar. El perfil de decrecimiento de los microorganismos presentes en las muestras de agua que fueron sometidas a FH fue diferente comparado con aquellos en que las muestras fueron sometidas a SODIS. En la FH hubo un decrecimiento logarítmico de la concentración de microorganismos con el tiempo de exposición. Con SODIS, se observó primeramente un aumento en la concentración de coliformes totales en las dos primeras horas, que puede deberse al aumento de la temperatura del agua a 37 °C, considerada ideal para el crecimiento de esa clase de microorganismos. Sólo después de ese período, cuando la temperatura pasó los 50 °C, ocurrió el decrecimiento en la concentración de los mismos. Esto no ocurre con la FH, pues en ese caso el mecanismo de inhibición microbiológica se debe al ataque de los radicales hidroxilo, altamente reactivos, a la estructura de la pared celular, provocando la oxidación de los orgánulos microbianos. Con la radiación UV de 254 nm, ocurre la dimerización de dos timinas, lo cual inhibe la replicación por mitosis celular y, consecuentemente, la multiplicación de los microorganismos, pero no promueve la degradación de los mismos.

No se observó recrecimiento de microorganismos en los ensayos en que hubo desinfección, incluso después de 24 horas de exposición a la luz solar.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00

30

35

40

45

50

55

SODIS SODIS negro Cont. oscuro

Tem

pera

tura

(o C)

Hora


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Se observó un aumento de los microorganismos superior a 13 veces en comparación con la muestra inicial, en el ensayo en que la botella conteniendo el agua fue cubierta con papel aluminio, protegiendo con ello la muestra de la radiación solar. En ese ensayo, denominado Control Oscuro, la temperatura media fue de aproximadamente 37 °C, considerada ideal para el crecimiento de ese grupo de microorganismos, lo cual justifica la multiplicación de los mismos después seis horas. Se efectuó un control dejando la muestra a la temperatura y iluminación ambientes durante las seis horas en que las otras muestras estuvieron expuestas al sol; en ese caso, hubo un crecimiento de aproximadamente ocho veces cuando se comparó con la muestra inicial, recogida por la mañana.

Figura 8: Concentración de coliformes totales durante seis horas de exposición solar en muestras de agua del pozo Várzea Alegre en los cinco diferentes ensayos

La concentración de E. coli en esa muestra de agua era muy baja (6,0 NMP/100 mL) y, por lo tanto, se redujo a cero con sólo dos horas de exposición al sol. Esto no ocurrió con el Control Oscuro, en el cual se duplicó la concentración después de seis horas (Figura 9).

FH-bagueta FH-PET SODIS SODIS preto Escuro amostra controle0

2

4

Col

iform

es to

tale

s (lo

g N

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100m

L)

Ensayos

0 hora 1 hora 2 horas 4 horas 6 horas


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Figura 9: Concentración de E. coli durante seis horas de exposición solar en muestras de agua del pozo Várzea Alegre en los cinco diferentes ensayos

CONCLUSIONES

Los procesos SODIS y FH son eficientes para la desinfección microbiológica de las aguas naturales recogidas en el lago de Hemógenes Leitión Filho en Campinas (SP) y en las provenientes de los pozos de la comunidad Riacho da Serra en São José del Sabugi (PB).

La FH mostró eficiencia biocida (para bacterias y algas) comprobadamente superior al proceso SODIS (75% aproximadamente).

La FH usando TiO2 se mostró poco eficiente en la mineralización de compuestos modelo como ácido dicloroacético y fenol, destruyendo sólo 10% de los mismos bajo luz solar. El proceso fotocatalítico tampoco se mostró eficiente en la destrucción de la materia orgánica de origen natural.

El método de incorporación y fijación del catalizador TiO2 por el proceso sol-gel, tanto en vidrio como en el interior de botellas PET, fue eficiente y no presentó lixiviación de las películas formadas.

En los ensayos realizados con muestras de agua de los pozos de São José del Sabugi (PB), se pudo observar que con seis horas de exposición al sol, los cuatro procedimientos probados (FH-varilla, FH-PET, SODIS, SODIS-Negro) presentaron la misma eficiencia de desinfección, aunque la FH se destaca por asegurar una tasa constante de decrecimiento en la concentración de coliformes totales desde la primera hora, lo que garantiza una reducción de los microorganismos en el caso en que no sea posible completar las seis horas de incidencia solar en las muestras contaminadas. El proceso SODIS, a su vez, promueve un aumento en la concentración de los

bagueta Dispersão TiO2 SODIS SODIS preto Escuro amostra controle0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

E. C

oli (

NM

P/1

00m

L)

Ensayos

0 hora 1 hora 2 horas 4 horas 6 horas


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microorganismos después de dos horas y posterior proceso de inhibición de los mismos con seis horas. No hubo recrecimiento de microorganismos después de 24 horas en las muestras de agua de los procesos donde se obtuvo desinfección, lo cual posibilita su uso en ese período.

REFERENCIAS

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Candal, R.J., Rodríguez, J., Colón, G., Gelover, S., Santos, Y.V., González, A.J., Blesa, M.A. (2001): Materiales para fotocatálisis y eletrofotocatálisis. En: Red CYTED VIII-G, cap. 7, 2001b.

Doménech, X., Jardim, W.F., Litter, M.I. (2001): Procesos avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes. En: Red CYTED VIII-G, cap. 1.

IBGE, Instituto Brasileño de Geografía y Estadística, Pesquisa Nacional de saneamiento Básico, 2000.

Litter, M.I., Mansilla, H.D. (2003): Desinfección solar de aguas en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA AE 141/2001, ISBN 987-43-6942-6.

Sobczynski, A., Duczmal, L., Zmudzinski, W. (2004): Phenol destruction by photocatalysis on TiO2: an attempt to solve the reaction mechanism. Journal of molecular catalysis A: Chemical, 213, 225-230.

Eaton, A.D., Clesceri, L.S., Greenberg, A.Y. (2002): Standard methods for the examination of water and wastewater. American Water Works Association.

Teixeira, C.P.A.B. (1997): Destrucción de compuestos orgánicos potencialmente tóxicos utilizando fotocatálisis heterogénea. Tese de mestrado en química analítica, Instituto de Química, UNICAMP.

Witzel, R.G. y Likens, G.Y. (1979): Limnological analysis. Springer-Verlag, N.Y.,2º edición, pp 152-157.

Agua pura - http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/. Acceso en septiembre de 2006.

Wilson F. Jardim and Cassiana Montagner

81

3

Application of HP in the disinfection of waters used for human consumption in the community of Riacho da Serra in São José do Sabugi, PB, Brazil


Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, SP, Brazil

[email protected]

SUMMARY

Preliminary studies were carried out at the laboratory in order to optimize heterogeneous photocatalysis to provide a clean and effective method for the disinfection of contaminated water for human consumption. Two procedures yielded the best results: for the first procedure, TiO2 was incorporated to glass rods by means of the sol-gel method using titanium isopropoxide as precursor for the synthesis, and for the second procedure, TiO2 was impregnated inside PET bottles using a Degussa P-25 10% m/v aqueous dispersion of TiO2. The efficiency of heterogeneous photocatalysis was compared to that of SODIS firstly for the degradation of model organic compounds, and later on for the disinfection of waters used for human and animal consumption from the community of Riacho da Serra, in São José do Sabugi, in the “sertão” region of the State of Paraíba, northeast of Brazil.

INTRODUCTION

The United Nations (UN) declared the year 2003 as the “International Year of Freshwater”, reinforcing the importance of this consumable to improve quality of life. In poor regions of the Third World, water contamination brings about social, economic, and health problems such as fatal endemic diseases (hepatitis, typhoid fever and cholera). In this sense, the lack of access to drinking water poses a severe health risk. Data made available by the World Health Organization indicate that each year almost 3.5 million people, mostly children, die due to diarrhea-linked diseases usually caused by unsanitary


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water conditions. 80,000 of these deaths occur in Latin America. Another interesting piece of information indicates that from the 1.2 billion people who have restricted access to freshwater, 800 million live in rural areas, where living conditions, medical assistance and disease prevention are markedly below the corresponding standards for urban areas.

In Brazil, 75% of all municipalities have some sort of water distribution network. As regards sewage systems, 48% of all municipalities do not have a collection system, 32% have a system to collect only, and the remaining 20% have systems to both collect and treat sewage waters. This situation is worse in the northeastern region of the country, according to data from the census carried out by the IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Brazilian Institute of Geography and Statistics) in 2000 (IBGE, 2000). One of the alternatives used by people who are not connected to the drinking water network are dams and septic wells, which causes the contamination of local waters.

Standard 518 of the Ministry of Health, dated on March 25, 2004, establishes the procedures and responsibilities relating to the control and monitoring of the quality of water for human consumption and its drinkability level. In chapter 2, article 4, the following concepts are defined:

I-Drinking water: water for human consumption whose microbiological, physical, chemical, and radioactive parameters comply with the drinkability level and do not pose any health risks.

VIII- Escherichia coli: bacteria from the coliforms group that ferments lactose and mannitol producing acid and gas at 44.5 ± 0.2 °C in 24 hours. It produces indole from tryptophan; negative oxidase; it does not hydrolyze urea and presents activity of the enzymes β-galactosidase and β-glucoronidase. It is considered the most specific indicator of recent fecal contamination and is occasionally present in pathogenic organisms.

Chapter IV. On the drinkability level.

Section 11. Drinking water should comply with the microbiological level corresponding to its stage, as shown in Table 1:


83

Table 1: microbiological levels for human consumption drinking water

Parameter Maximum allowed value (MAV)

Water for human consumption

Escherichia coli and thermotolerant coliforms

Absent in 100 mL

Water after treatment

Total coliforms Absence in 100 mL

Treated water in the distribution system (reservoirs and networks)

Escherichia coli and thermotolerant coliforms

Absence in 100 mL

Systems that analyze 40 or more samples per month: absence in 100 mL in 95% of tested samples in the month

Total coliforms

Systems that analyze 40 or more samples per month: only one sample per month can present a positive result in 100 mL.

Note that Brazilian legislation is strict in the control of pathogen groups. However, in locations where dam water is used, there is little regulation.

Taking into account the situation regarding basic sanitation in Brazil, the purpose of this work was to optimize the heterogeneous photocatalysis method using TiO2 as catalyst so as to offer a simple and low-cost alternative applied to water disinfection and with algicide effect in waters for human consumption. Attempts were made to develop a method to support the titanium dioxide (TiO2) used as catalyst and assess its catalytic activity, first in the degradation of organic compounds, and later on in the inhibition of total coliforms and Escherichia coli, as well as its algicide effect in natural waters.

During the first stage, the best possible way of incorporating the catalyst onto polydimethylsiloxane (PDMS) was studied, with no satisfactory results.

The catalytic activity of TiO2 was assessed by introducing organic compounds such as dichloroacetic acid and phenol in the degradation process. The degradation of model compounds monitoring was carried out by measuring total organic carbon (TOC).

During the second stage of the experiments, the biocide activity (inhibition of bacteria and algae) of TiO2 introduced on glass rods was assessed using samples of natural waters. Microbiological and algicide monitoring was carried out using the Colilert kit (Eaton, 2002) (for some groups of total coliforms and E. coli) and the classic spectrophotometric method to determine chlorophyll a (Witzel and Likens, 1979), respectively.


84

During the third stage, a campaign aimed at applying HP for the disinfection of waters used for human consumption by inhabitants of the community Riacho da Serra in the city of São José do Sabugi, located in the “sertão” region of the State of Paraíba, northeast of Brazil, was carried out.

LOCATION OF THE STUDY SITE

The community Riacho da Serra belongs to the rural area of the city of São José do Sabugi, in the State of Paraíba, northeast of Brazil. Its geographic location is given by the intersection between parallel 6°48'45’’ S and meridian 36°48’45’’ W (Figure 1). According to the census of the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE), this municipality has a population of 3,900 inhabitants in a total area of 215 km2. The climate of São José do Sabugi is semi-arid and hot, and its rainfall regime is typically greatly irregular because it depends on air masses coming from the coast and from the west. Its location on the depression of Piranhas and the presence of the Sierra de la Borborema hill in the surrounding area are the major physical barriers that help create a more pleasant climate and make the rainfall regime somewhat more regular.

Temperature records vary between 25 °C and 28 °C. The annual average of rainfalls in the area is around 550 mm, which mainly occur between January and April. In the last decades there have been notoriously irregular periods in this rainfall regime in the entire Seridó region, as the whole area is called.

Figure 1: A) Geographic map of Brazil showing the State of Paraíba in the northeastern region; and B) map of the State of Paraíba with the city of São José do Sabugi, location chosen to perform the

activities of this work, marked in red.

Southern Region

Southeastern Region

Central-Western Region

Northeastern Region

Northern Region

A

B

Paraíba


85

The semi-arid climate and the flat and stony soils are conditions that favor the growth of the caatinga, which is a sub-xerophile vegetation whose main components are small trees and shrubs, generally thorny, that are found either in thick groups or as scattered trees. There are often water-storing plants and an ephemeral herbaceous layer. There are in the municipality areas of arboreal caatinga, with palm trees, areas used for stockbreeding activities, where caatinga is used as natural pastures, and subsistence areas that deeply alter the primitive characteristics of the vegetation.


First stage: preparation of the catalyst

TiO2 immobilized on a glass surface by means of the sol-gel method

Titanium dioxide was attached to the glass surface by means of the sol-gel method, which consists in a hydrolysis process followed by the condensation of an alkoxide of the catalyst (titanium isopropoxide), catalyzed by an acid. The reaction describing this process is the following:

Ti(i-PrO)4 + 2H2O → TiO2 + 4 i-PrOH (1)

Two solutions, called solution A and solution B, respectively, were prepared for the synthesis and were mixed to form the “sol” of the catalyst. This mixture was applied to the surface of glass rods by dip-coating and to Petri dishes covering the whole surface and removing the excess of solution. Prior to this procedure, the glass surfaces that were going to be covered by the catalyst (glass rods and Petri dishes) were sanded to make the adsorption process more efficient.

Solution A: 22.5 mL of deionized water and 0.05 g of TiO2 P25 were mixed in an Erlenmeyer, adjusting pH to 1 by adding a few drops of concentrate NHO3. It was agitated for 1 hour. The solution was ultrasounded for 20 minutes to remove all bubbles.

Solution B: 12 mL of titanium isopropoxide, 12 mL of acetic acid, 15 mL of isopropanol and 2.5 mL of nitric acid were mixed in a second Erlenmeyer and agitated for 2 hours.

Then, solutions A and B were mixed and agitated for 6 hours. A white viscous suspension was formed. Curing procedures were carried out at 50 °C for 1 hour, 250 °C for 1.5 hours, and 450 °C for 2 hours. The dip-coating process was repeated to increase the number of layers adsorbed to the substrate.

Deep-coating process: the substrate (frosted glass rods) was submerged in the solution during 3 minutes and removed at a controlled speed; the solvent formed as sub-product of the hydrolysis process was thus evaporated and the gel (film) was formed.


86

Figure 2: Stages of the dip-coating process (Candal, 2001)

Immobilization of TiO2 inside PET bottles

The catalyst film was prepared from a 10% (m/v) suspension of TiO2 P25 in deionized water; pH was adjusted to 2 by adding a few drops of perchloric acid. The suspension was distributed inside PET bottles, covering the whole surface and removing any excess. The curing process was done with a stove at 60 °C for 2 hours.

Second stage: verification of catalyst efficiency

Assessment of catalytic activity in the degradation of organic compounds

The catalytic assessment of the films was assessed by determination of total organic carbon (TOC) with a Shimadzu equipment, TOC 5000 model. It was observed that the chloride released during the degradation of the dichloroacetic acid was hindering the determination of TOC, so the compound was later on replaced with a 25 mg L-1 solution of phenol.

The following reaction describes the degradation of the dichloroacetic acid (DCA):

Cl2CHCOOH + TiO2 + hν → 2 CO2 + 2 HCl (2)

Scheme 1 shows the steps of the degradation reaction for phenol (Sobczynski, 2004). Note that the degradation reaction for dichloroacetic acid is simple, this being a compound that mineralizes easily. On the other hand, the degradation of phenol goes through some stable intermediates and is therefore a recalcitrant, harder to degrade compound.

For all experiments carried out to assess catalytic activity with model compounds, 1 liter of solution to degrade was used (DCA 1 mmol L-1, phenol 25 mg L-1) in 1.5 L mineral water PET bottles with rods or films inside them. Each experiment included one group of bottles with catalyst and a second group with no catalyst, both exposed to sunlight, another set of two groups (with and without catalyst) that was kept in the dark, and a fifth group containing only catalyst and deionized water but with no solution to degrade that was exposed to sunlight in order to assess the lixiviation of the TiO2 film.

IMMERSION DEPOSIT & DRAINAGE EVAPORATION


87

Scheme 1. Steps for the photocatalytic degradation of phenol

The group of bottles with catalyst that were exposed to sunlight was used to assess the catalytic activity of the film using HP; the second group without catalyst and exposed to sunlight was used to assess the degradation of compounds only by the action of solar irradiation (SODIS) and evaporation. The groups that were left in the dark were used as controls, since all degradation occurring in them would be caused by temperature only. Sunlight exposure time was 2 hours, between 12:00 and 14:00, on clear, non-cloudy days.

Assessment of catalyst biocide activity

Algicide and microbiological tests were carried out with water samples from the lake located at Park Profesor Hemógenes Leitión Filho (near UNICAMP). The degradation (mineralization) of organic matter was monitored with the total organic carbon (TOC) analysis. In order to eliminate interfering particles, samples were filtered with 0.45-µm membranes prior to their injection into the equipment.

Algicide activity was assessed after the test and after 24 and 48 hours of exposure to sunlight; algae re-growth was thus monitored during this period. The analyses were carried out by the spectrophotometry method to determine chlorophyll a. Microbiological inhibition was monitored after the test for the determination of total coliforms and E. coli.

The spectrophotometry method for the determination of chlorophyll a has the following steps:

• Sample preparation: 100 mL of sample were filtered using a Kitasato and a vacuum pump and a cellulose membrane with 0.45-µm pores.

• Extraction: the filter was removed with tongs and taken to a test tube. The extraction was done with 4 mL of a 90% alkaline solution of acetone (obtained by adding 2 or 3 drops of concentrate NH4OH to the 90% solution). The sample was agitated until the whole filter was dissolved and then centrifuged.


88

• Spectrophotometric measurement: the supernatant was transferred to a recipient and readings were taken at two wavelengths: 665 and 750 nm, respectively. The blank was carried out with an alkaline solution of acetone.

• Determination of the concentration of chlorophyll a: it was carried out according to the following mathematical expression:

[chlorophyll a] = (K). (F). (A665nm – A750nm). (v) / (V). (Z)

where:

(K) = absorption coefficient for chlorophyll a = 11.0

(F) = Correction factor for the absorbance of chlorophyll a = 2.43

(A665nm – A750nm) = absorbance of chlorophyll a at 665 nm and 750 nm

(v) = volume extracted with alkaline acetone = 4 mL

(V) = volume of filtered sample

(Z) = size of the optical path of the recipient = 1 cm

The Colilert method is based on the enzyme-substrate test that uses hydrolyzable substrates for the simultaneous detection of enzymes from the total coliforms group and from Escherichia coli. When the enzymatic technique is used, the total coliforms group is defined as the group of bacteria that have the β-D-galactosidase enzyme, which attacks the chromogenic substrate (ONPG, ortho-nitrophenyl-β-D-galactopyranoside), resulting in the release of the chromogen (yellow).

Escherichia coli is defined as the type of bacteria capable of testing positive in the test for total coliforms as well as having the β-glucuronidase enzyme, capable of attacking a fluorogenic substrate (MUG, 4-methyl-umbelliferryl-β-D-glucuronidase), releasing fluorogen, a fluorescent product that absorbs UV radiation at 366 nm. Since most coliforms do not have this enzyme, they cannot grow and interfere with the results.

Quantification was carried out following the stages shown in Figure 3:

• 100 mL of sample were collected in a sterile flask and the contents of the 24-hour Colilert flask was added;

• The contents of the flask were transferred to the Quanti-Tray / 2000 device to obtain a count between 1 and 2400 MPN, no dilutions;

• The devise was sealed, obtaining a homogeneous distribution of the sample, and left in an incubator at 35 °C during 24 hours.

• After 24 hours, results were read (count from two recipients with positive results and corroboration with the MPN table):


89

o Yellow: positive for total coliforms

• Exposure to UV radiation at 366 nm and enzyme-substrate test

o Fluorescence: Positive result for E. coli.

(1) (2) (3) (4)

Figure 3: Stages of the quantification test of the Colilert method

Samples were collected in the morning, placed into PET bottles (1.5 L of sample approximately), and exposed to sunlight for a few hours on clear, non-cloudy days. Temperature was measured with a digital thermometer as the test developed.

Third stage: application of HP and SODIS to waters used for human consumption in the community of Riacho da Serra

In order to compare the SODIS and HP processes as regards microbiological disinfection of water, five different tests were developed:

• Heterogeneous Photocatalysis using glass rods as support for the catalyst TiO2 (HP-rod). In this test, six rods with TiO2 on their surface were placed inside each PET bottle containing contaminated water.

• Heterogeneous Photocatalysis using the catalyst TiO2 deposited onto the inner surface of the PET bottles (HP-PET). To achieve this, a 100% m/v aqueous suspension containing the catalyst was prepared and introduced in the bottle.

• SODIS: this is a well-known process that uses only transparent PET bottles containing contaminated water, which are exposed to sunlight at least for six hours.

• SODIS-Black: this refers to the SODIS process that uses transparent PET bottles with half of their external walls painted black. This resource favors an increase of water temperature and improves disinfection efficiency.

• Dark Control: the contaminated sample was poured into a PET bottle wrapped with aluminum foil to keep the sample in the dark. During this test, water temperature does not increase as in the case of SODIS but it remains constant at 35 °C, which favors the growth of microorganisms.

The procedure basically consisted in placing contaminated water inside the PET bottles and exposing them to sunlight for a few hors. The experiment was carried out on


90

January 4, 2006. The sky was clear and no clouds were observed during the whole experiment. The water sample was collected from the well found at Várzea Alegre del Seu José Domingos Dantas, which is used for human and animal consumption as well as irrigation, and is the well with the highest contamination level in the region. The five tests (SODIS, SODIS-Black, HP-rod, HP-PET and Dark Control) were developed simultaneously using transparent 2-liter PET bottles of the same brand and previously cleaned with water and soap to remove any soda residue that might have remained inside.

The water sample was collected at 8:00 am with a clean bucket, and transferred to a Styrofoam 60-liter recipient where it was homogenized with sterile glass rods. PET bottles were washed and submerged in buckets containing the sample to remove external residues and then filled with the sample at the collection site, protecting them from solar radiation. The bottles with the sample were immediately taken to the laboratory, where the volume of water inside each bottle was standardized to 1.7 liters. After this the bottles were exposed to sunlight from 9:00 to 15:00, for a total exposure of 6 hours. The temperature of the sample was 27 °C, and air temperature at the moment of collection was 30 °C.

The intensity of solar radiation was measured at 365 nm during the six hours that lasted the experiment using a Cole-Parmer Instrument Company radiometer, series 9811. The maximum radiation intensity was measured, as well as that of the radiation that hit the sample.

Sample temperature was measured during the period of exposure to sunlight in a transparent PET bottle (SODIS), in a bottle with half of its external surface painted black (SODIS-Black), and in a third one wrapped with aluminum foil (Dark Control).

In order to assess the kinetics of microbiological disinfection and determining the time required to achieve water disinfection, as well as to assess microbiological re-growth 24 hours after the experiment, five bottles were separated for each test (SODIS, SODIS-Black, HP-rod, HP-PET and Dark Control), and three more for temperature control. All bottles were placed under the light of the sun for 9 hours. After 1 hour of exposure, one bottle from each test was removed for pH, conductivity, total organic carbon (TOC), total coliforms and E. coli analyses. The same procedure was repeated after 2, 4, and 6 hours of exposure, and after 4 hours, two bottles from each test were removed to run duplicate analyses.


Assessment of catalytic activity in the degradation of organic compounds

Figure 4 shows the percentage chart for remaining carbon for the 1.0 mmol L-1 dichloroacetic acid photocatalytic degradation test using only glass rods with catalyst. Two experiments were carried out: one with three layers of catalyst and a second one with five layers of TiO2. In the case of the experiment with three layers of catalyst, no


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dark sun dark cont cont sol 0

102030405060708090

100

Rem

aini

ng C

(%)

3 layers of TiO2 5 layers of TiO2

photocatalytic activity was observed on the rods. However, in the experiment with five layers of catalyst there was a degradation of 12.6% of the dichloroacetic acid. Note that catalytic activity increased with the number of layers added on the substrate.

Figure 4: Catalytic activity test for the degradation of 1.0 mmol L-1 dichloroacetic acid (dark: bottles with catalyst kept in the dark; sun: bottles with catalyst exposed to the sun; dark cont.: bottles with

no catalyst kept in the dark; sun cont.: bottles with no catalyst exposed to the sun (SODIS)

The degradation tests for 25 mg L-1 phenol with glass rods did not present significant catalytic activity. The lixiviation of the TiO2 film on the glass rods was also analyzed during photocatalytic tests. A minimal lixiviation of approximately 1% of the catalyst was observed on the glass rods.

The assessment of the degradation efficiency of a 25 mg L-1 phenol solution by HP with TiO2 inside PET bottles indicated only 10% degradation of phenol and no lixiviation of the film, and after the third consecutive test there was no loss of catalyst.

Biocide effect of the catalyst

The first tests had exposure time to sun as a controlled variable. To this end, a full set of bottles was exposed to sun for 2 hours, and another set was exposed for 5 hours. It was concluded that an exposure time of two hours was not enough to inhibit algae, and therefore, the following examples were exposed to sunlight for 5 hours. Figure 5 shows the result of the first algicide test, using rods with TiO2, in a natural water sample, after a blooming event of algae (a blooming event is a spontaneous re-growth of algae that occurs due to quick changes in temperature during the day). Monitoring activities were performed (a) before exposure to sun, (b) after exposure, (c) after 24 hours, and (d) after 48 hours, to assess algae re-growth during that period.

Note that in the case of heterogeneous photocatalysis with 5-hour exposure to sun there was no significant re-growth of the algae 24 and 48 hours after the test, with 75% efficiency in algicide effect. Comparing with the 2-hour SODIS test (sol-gel, 2 hours), this latter presented no decrease in algae concentration after solar exposure, as well as a significant re-growth of algae was observed 24 hours after the conclusion of the test.


92

Figure 5: Variation of chlorophyll a concentration (algicide power) in HP tests after 2 and 5 hours of solar exposure

Figure 6 shows the results of the algicide test with 5 hours of exposure to sun in samples of natural water. The purpose of this test was to assess the efficiency of HP versus that of SODIS, with a test in the dark as control. It was observed that neither HP nor SODIS presented algae re-growth 24 and 48 hours after exposure to sunlight; however, HP presented an average efficiency 20% higher than that of SODIS in the inhibition of algae growth.

Figure 6: Algicide behavior of HP versus SODIS

Taking into account the redox cycle generated during the photocatalysis process, attempts were made to determine the capacity to degrade the organic matter present in water samples, but results were not as expected. An increase of approximately 25% of TOC was observed, both in HP and SODIS tests, instead of a decrease of that value reflecting the degradation of organic matter. This increase of the TOC value is mainly due to the release of intracellular organic matter caused by the biocide effect of the process.

0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

control 2 hs. sol-gel A 2 hs. control 5 hs. sol-gel A 5 hs.

Chl

orop

hyll

(µg

L-1)

time (hs.)

0 10 20 30 40 50

20

40

60

80

100 Dark SODIS HP

Chl

orop

hyll

(ug

L-1)

time (hs.)


93

Table 2 presents the results of the microbiological test that incorporated TiO2 through the sol-gel method in comparison with SODIS, with the test in the darkness as control. Efficiency is given by the expression log N/No, which is the ratio between the final and the initial number of microorganisms.

It was observed that the efficiency of HP was 23 times higher than that of SODIS in microbiological inhibition. There was an increase in the number of microorganisms in the control tests carried out in the dark, probably due to the small increase in temperature of the water samples, which favored a significant bacterial growth.

It was also noted that both HP and SODIS are disinfection processes whose efficiency is higher for the inhibition of total coliforms than for E. coli, which indicates the greater resistance of the latter.

Table 2: Results of the tests for total coliforms and E. coli after 5 hours of solar exposure

Total coliforms E. coli Experimental tests

MPN/100 mL Efficiency (-log N/No)

MPN/100 mL Efficiency (-log N/No)

Initial sample 18,700 1,000

HP sol-gel A 17 3.0 12 1.9

HP sol-gel B 74 2.4 50 1.3

SODIS 400 1.7 80 1.1

Dark 39,900 -0.33 1,000 0

Dark + sol-gel A 43,200 -0.36 1,000 0

Dark + sol-gel B 22,600 -0.08 2,000 -0.3

Application of HP and SODIS to waters used for human consumption in the community of Riacho da Serra

The maximum radiation intensity was 2.9 mW cm-2, and it stayed around that value in the period between 9:30 and 14:30. The pH of the samples was between 7.2 in the initial sample and 7.6. Conductivity in the initial simple was 1093 µS cm-1, and it varied between 1084 and 1110 µS cm-1 during the six hours of the experiment.


94

Figure 7 shows temperature variations for the tests SODIS, SODIS-Black and Dark Control. The highest temperature corresponded to the PET bottle with half of its external surface painted black.

Figure 7: Temperature variation for water samples in PET bottles during the six hours of exposure to sunlight.

In the case of the field work carried out at São José do Sabugi, the initial simple of the Várzea Alegre well presented a concentration of total coliforms of 2400 MPN/100mL. Figure 8 shows the decrease in the concentration of microorganisms observed in each of the five tests. With six hours of exposure to sunlight, disinfection of the contaminated water sample was achieved in all four tests (HP-rod, HP-PET, SODIS, SODIS-Black), so all methods appear to have the same disinfection efficiency.

When studying the kinetics of the process, some important aspects were observed regarding the time of exposure of the contaminated samples. In the SODIS-Black test, disinfection occurred after 4 hours of exposure to sunlight. The decrease profile of microorganisms in the water samples that were subjected to HP was different compared to that of the samples treated by SODIS. HP tests presented a logarithmic decrease of the concentration of microorganisms with exposure time. SODIS presented first an increase in the concentration of total coliforms during the first two hours of exposure, which may be due to the increase of water temperature to 37 °C, which is the ideal temperature for the growth of these microorganisms. Only after this period, when temperature went above 50 °C, did the concentration decrease. This does not occur with HP, since in this case the microbiological inhibition mechanism is based on the attack of the cell wall structure by the highly reactive hydroxyl radicals, causing the oxidation of microbial organelle. With UV radiation at 254 nm, the dimerization of two thymines occurs, which inhibits the replication by cell mitosis and, consequently, the multiplication of the microorganisms, but it does not favor their degradation.

No microorganism re-growth was observed in tests where disinfection occurred, even 24 hours after exposure to solar light.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00

30

35

40

45

50

55

SODIS Black SODIS Dark Cont.

Tem

pera

ture

(o C)

Time


95

An increase greater than 13 times the amount of microorganisms as compared with the initial sample was observed in the test with the bottle that had been covered with aluminum foil to prevent the water sample inside from being exposed to solar radiation. In this test, called Dark Control, the average temperature was approximately 37 °C, which is the ideal temperature for the growth of these microorganisms. This explains their multiplication after the six hours of the experiment had elapsed. A control test was carried out with a sample left at room lighting and temperature during the six hours during which the other samples were exposed to solar radiation. This test presented an increase of approximately eight times in the concentration of microorganisms when compared with the concentration of the initial sample collected in the morning.

Figure 8: Concentration of total coliforms during six hours of solar exposure in water samples from the Várzea Alegre well for the five different tests

The concentration of E. coli in this water sample was very low (6.0 MPN/100 mL) and it was therefore reduced to zero with only two hours of exposure to sunlight. This was different in the Dark Control test, where concentration doubled after six hours (Figure 9).

FH-bagueta FH-PET SODIS SODIS preto Escuro amostra controle0

2

4

Tota

l col

iform

s(lo

g M

PN/1

00m

L)

Tests

0 hour 1 hour 2 hours 4 hours 6 hours


96

Figure 9: Concentration of E. coli during six hours of solar exposure in water samples from the Várzea Alegre well for the five different tests

CONCLUSIONS

SODIS and HP are efficient processes for the microbiological disinfection of the natural waters collected from the lake Hemógenes Leitión Filho in Campinas (SP) and those collected from wells at the community of Riacho da Serra in São José del Sabugi (PB).

The HP process showed a biocide efficiency (for bacteria and algae) clearly higher than that of the SODIS process (75% approximately).

HP using TiO2 was not very efficient in the mineralization of model compounds such as dichloroacetic acid and phenol, destroying only 10% of these compounds under solar radiation. The photocatalytic process was not efficient for the destruction of organic matter of natural origin, either.

The method that included the addition and fixation, through the sol-gel process, of TiO2 as catalyst – either on glass or inside PET bottles – was efficient and no lixiviation of the films was observed.

The tests performed on water samples collected from wells at São José del Sabugi (PB) showed that, after six hours of exposure to sunlight, the four tested procedures (HP-rod, HP-PET, SODIS, SODIS-Black) presented the same disinfection efficiency, although HP outstands the others because it ensures a constant decrease rate of the concentration of total coliforms from the beginning, which in turn ensures a decrease in the number of microorganisms if for some reason there is an impossibility of completing the six hours of solar exposure required. The SODIS process, on the other hand, favors an increase of the concentration of microorganisms during the first two hours of solar exposure. After this, the concentration decreases until the completion of the six-hour

bagueta Dispersão TiO2 SODIS SODIS preto Escuro amostra controle0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

E. C

oli (

MPN

/100

mL)

Tests

0 hour 1 hour 2 hours 4 hours 6 hours


97

exposure. No re-growth of microorganisms was observed 24 hours after the water samples were disinfected by means of these processes, which means that it can be consumed during this period.

REFERENCES

Candal, R.J., Bilmes, S.A., Blesa, M.A. (2001): Semiconductores con actividad fotocatalítica. In: Red CYTED VIII-G, cap. 4, 2001a.

Candal, R.J., Rodríguez, J., Colón, G., Gelover, S., Santos, Y.V., González, A.J., Blesa, M.A. (2001): Materiales para fotocatálisis y eletrofotocatálisis. In: Red CYTED VIII-G, cap. 7, 2001b.

Doménech, X., Jardim, W.F., Litter, M.I. (2001): Procesos avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes. In: Red CYTED VIII-G, cap. 1.

IBGE, Instituto Brasileño de Geografía y Estadística, Pesquisa Nacional de saneamiento Básico, 2000.




Teixeira, C.P.A.B. (1997): Destrucción de compuestos orgánicos potencialmente tóxicos utilizando fotocatálisis heterogénea. Tese de mestrado en química analítica, Instituto de Química, UNICAMP.

Witzel, R.G. and Likens, G.Y. (1979): Limnological analysis. Springer-Verlag, N.Y.,2º edición, pp 152-157.


Beatriz Ceballos

99

4

Aplicación de SODIS en comunidades rurales de Paraíba, Brasil

Beatriz Ceballos

Departamento de Biología, Universidade Estadual da Paraíba, Paraíba, Brasil

[email protected]

RESUMEN

El método SODIS fue implementado en dos comunidades del Estado de Paraíba. La primera implementación fue en São José do Sabugi, incluidos los trabajos experimentales en el sitio Riacho da Serra, localizado en la región Seridó occidental Paraibano, en el “sertão” nordestino del Brasil. La región estudiada comprende las localidades Riacho da Serra, Jacú, Latadinha, Manoel Lopes y Camalau, con un total de 74 familias.

La segunda comunidad donde se realizó parte del estudio de campo fue Paus Brancos, situado en la microcuenca del Riacho Angico, contribuyente del Riacho São Pedro (subcuenca del mismo nombre), en el municipio de Campina Grande, en el Agreste Paraibano. Allí se localiza el asentamiento del poblado de Paus Brancos, con 72 familias (Silva et al., 1987; Baracuhy, 2001).

Para obtener una visión general sobre el nivel social y económico de los pobladores de las comunidades seleccionadas, así como del nivel de escolaridad, y para evaluar la percepción en relación al uso y a la calidad del agua consumida y sus limitaciones, se realizaron encuestas antes de la implementación del método SODIS. Posteriormente, se efectuaron campañas de aplicación de SODIS con nuevos cuestionarios.

Fueron entrevistadas 40 (de 58) familias de la comunidad de São José do Sabugi y 40 familias de Paus Brancos, es decir, una muestra representativa de aproximadamente 70% de la población. Entraron así en la investigación un total de 198 personas de las 40 familias entrevistadas en São José do Sabugi más 154 personas del asentamiento de Paus Brancos.

El equipo de la profesora Beatriz Ceballos realizó en esa comunidad, la implementación de SODIS a través de oficinas y conferencias explicativas. Actualmente


100

cerca del 60% de los pobladores locales utilizan esa técnica para desinfectar el agua. Estos datos se detallan en la segunda parte del informe.

SECCIÓN EXPERIMENTAL

Se efectuó un experimento preliminar para determinar, in situ, las condiciones de temperatura, radiación solar y tiempo necesarios de exposición al sol de las botellas para eliminar coliformes en las condiciones climatológicas locales, a fin de adaptar el método antes de ser transferido a la población escogida para el estudio.

Para la ejecución del experimento de campo en São José do Sabugi, se instaló un laboratorio básico de microbiología (Figura 1), en el Puesto de Salud de Riacho da Serra (Figura 2).

Figura 1. Puesto Médico de Salud de Riacho da Serra, São José do Sabugi, PB; 03.01.2006

Figura 2. Laboratorio de Campo en el Puesto Médico de Salud de Riacho da Serra, São José do Sabugi,

PB; 03.01.2006

Conducción del experimento SODIS

La fuente de agua fue un pozo somero en la localidad de Riacho da Serra (Figura 3). La recolección se realizó mediante un tubo externo al pozo (con bomba). Se lavaron un recipiente de isopor de 60 litros y un balde de plástico sin uso con la misma agua del pozo destinado a la recolección. El recipiente de isopor fue llenado con el agua del pozo (bruta) recogida con el balde de plástico. Después de una homogenización con varillas de vidrio estériles, se procedió al llenado con agua de las botellas PET. Estas muestras con agua bruta se denominaron agua clase A. Finalizada la primera recolección, se procedió nuevamente al lavado del isopor y del balde y, en seguida, se llenó el isopor con agua de pozo y se adicionaron 60 mL de residuos cloacales con el fin de obtener

Beatriz Ceballos

101

una mayor población de bacterias coliformes. Este segundo tipo de agua se denominó agua clase B. Antes de llenar las botellas, el agua adicionada del inóculo cloacal fue mezclada para obtener una muestra homogénea.

Figura 3. Pozo somero, fuente de agua de los experimentos SODIS y SORAS; Sitio Riacho da Serra,

São José do Sabugi, PB; 16.12.2005

Figura 4. Botellas expuestas al sol. Control (envueltas de papel aluminio), transparentes y sobre fondo negro;

Sitio Riacho da Serra, São José do Sabugi, PB; 16.12.2005

La recolección se inició a las 07:55 horas y finalizó a las 08:40 horas. Luego, las botellas fueron llevadas al lugar de exposición al sol (en el jardín del puesto de salud) (Figura 4).

Las temperaturas (del aire y de la agua) fueron medidas cada hora desde las 08:50 (exposición de las botellas al sol = T0) hasta el final del experimento (16:50, T4). Tres botellas diferentes (PET transparente, PET transparente sobre base negra y PET envuelta en papel aluminio) se destinaron a la medición horaria de temperatura; para ello se hizo un agujero en las tapas de plástico y se ajustó allí un termómetro. Después de los tiempos de exposición prefijados (2, 5, 6,5 y 8 horas), fueron retiradas cada vez seis botellas correspondientes a las tres variantes experimentales, ya que para cada tipo de tratamiento se hicieron duplicados. Las últimas fueron retiradas a las 16:50, después de 8 horas de exposición al sol. El cielo no presentó nubes durante prácticamente todo el tiempo del experimento.

Cuantificación de coliformes termotolerantes y E. coli

La cuantificación de coliformes termotolerantes antes, durante y después del tratamiento del agua con SODIS, fue realizada con la técnica de la membrana de filtración, uno de los métodos estándar de APHA (1998). El medio de cultivo fue el m-FC (Difco). La incubación se efectuó a 44,5 °C ± 0,5 °C durante 24 horas. Para cuantificar E. coli, fueron seleccionadas cinco colonias de coliformes de cada una de las placas con crecimiento, que fueron transferidas con aguja microbiológica para tubos con el medio FC-MUG e incubadas durante otras 24 horas a 35 °C. Posteriormente, los tubos fueron observados bajo luz UV. Los que presentaron fluorescencia fueron considerados positivos para E. coli. El trabajo de laboratorio fue ejecutado en el laboratorio de campo


102

montado en el puesto de salud de São José do Sabugi (Figura 5). La Figura 6 muestra las placas con los resultados después de 24 horas de incubación.

Figura 5. Laboratorio de Campo en el Puesto de Salud; Sitio Riacho da Serra; São José do Sabugi, PB;

05.01.2006

Figura 6. Placas con los resultados después de 24 hs. de incubación; Sitio Riacho da Serra, São José do

Sabugi, PB; 05.01.2006

Actividades de divulgación e implementación del método SODIS en las comunidades

La divulgación de SODIS en las comunidades se llevó a cabo principalmente a través de eventos organizados en las escuelas y en las asociaciones de los pobladores. Allí se transmitió información sobre el método y se distribuyeron panfletos y pósters, explicando los pasos del método. Después de la instrucción de los líderes de la comunidad, es decir, de su formación para oficiar de multiplicadores de SODIS, se realizaron actividades de divulgación para que los líderes actuaran principalmente en visitas personales a las casas de los pobladores.

El acompañamiento de la comunidad ocurrió en visitas de campo mensuales, en las cuales se realizaron cuestionarios y se organizaron reuniones con los líderes, es decir, los multiplicadores.


Experimento SODIS

Variación de la concentración de las bacterias coliformes en función de la temperatura

De acuerdo con los resultados de la Tabla 1 y de la Figura 7, la inactivación de los microorganismos (coliformes termotolerantes y E. coli) está relacionada con la

Beatriz Ceballos

103

temperatura, siempre que la cantidad limitada de datos permita que este resultado sea estadísticamente confirmado. En general, se observa que cuanto mayor la temperatura ambiente y consecuentemente la temperatura dentro de la botella, más eficiente la inactivación de las bacterias, en concordancia con los resultados de la literatura (Donaire y Jardim, 2001; Lonnen y col., 2005; Martín-Domínguez y col. 2006; Méndez-Hermida y col., 2005; Paterniani y Do Silva, 2004; Xavier y col., 2005). El resultado en las botellas control muestra la importancia de la luz solar en el proceso de la desinfección. Con temperaturas de 36 °C, se registró inactivación de coliformes dentro de las botellas que fueron envueltas con papel aluminio para impedir la penetración de luz solar, y en las transparentes tuvo lugar un decrecimiento bacteriano bastante acentuado. En la Tabla 1 se observa que en las botellas oscuras de control hubo activa reproducción, alcanzándose valores extremamente altos, con número excesivo en la dilución usada en el experimento.

Después de cinco horas de exposición al sol (T2), se registró la inactivación total de coliformes termotolerantes y de E. coli; en la última muestra (T4), después de 8 horas de exposición al sol, se encontró la presencia de coliformes termotolerantes, aunque en valores mínimos. En este caso, ocurrió una reactivación de escasos coliformes que permanecieron en estado de estrés por acción de la luz asociada a temperaturas altas; puede haber sucedido también una recontaminación en el laboratorio, pues un recrecimiento bacteriológico, dentro de ese tiempo, y con la temperatura de la agua disminuida, es rara en la literatura, aunque no imposible (Ceballos y col., 2003).

Obsérvese que hubo diferencia significativa de temperatura entre el agua de las botellas transparentes (SODIS convencional) y la de las botellas colocadas bajo un fondo negro. Esta última alcanzó valores algo superiores después de cuatro horas de exposición al sol.

En el experimento B, hecho con la misma agua, con el agregado de un inóculo cloacal, en la concentración 100 mL/60 L, se observó la eficiencia de SODIS. Incluso cuando los valores de coliformes termotolerantes llegaron a cero, hubo disminución significativa, como se resume en la Tabla 2 y en la Figura 8, equivalente a 3% (0,1 % en las botellas sobre fondo negro) de la población inicial después de 5 horas (T2) y de 0,5% (0,01) después de 8 horas (T4).


104

Tabla 1. Densidad de coliformes termotolerantes y E. coli en 100 mL de agua por métodos ensayados con agua A (agua bruta de la fuente)

AB (SODIS convencional,botellas transparentes)

AP (SODIS fondo negro, botellas sobre una lona negra)

AE (SODIS oscuro, botellas control envueltas en papel de aluminio)

Hor

as d

el d

ía

Hor

as d

e ex

posi

ción

al s

ol

Mue

stra

Tem

pera

tura

am

bien

te (°

C)

Nº.

C. t

erm

/100

mL

Nº.

E. c

oli/1

00m

L

Tem

pera

tura

de

lag

ua e

n °C

Nº.

C. t

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/100

mL

Nº.

E. c

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L

Tem

pera

tura

de

lag

ua e

n °C

Nº.

C. t

erm

/100

mL

Nº.

E. c

oli/1

00m

L

Tem

pera

tura

de

lag

ua e

n °C

08:50 0 T0 27,5 2,0E+03 2,0E+03 30 2,0E+03 2,0E+03 30 2,0E+03 2,0E+03 29

10:50 2 T1 NH 2,1E+02 2,1E+02 38 3,1E+02 3,1E+02 38 1,1E+03 1,1E+03 32,5

13:50 5 T2 39 0,0E+00 0,0E+00 44 0,0E+00 0,0E+00 45,5 Ex. Ex. 35,5

15:20 6,5 T3 36,5 0,0E+00 0,0E+00 43 0,0E+00 0,0E+00 44 Ex. Ex. 36

16:50 8 T4 33 4,5E+00 0,0E+00 38,5 2,0E+00 0,0E+00 39 Ex. Ex. 35

Ex. = Excesivo; NH = no hecho

Beatriz Ceballos

105

Tabla 2. Densidad de coliformes termotolerantes y E. coli en 100 mL de agua por métodos ensayados en el experimento de agua B (contaminada con inóculo cloacal diluido).

BB (SODIS convencional,botellas transparentes)

BP (SODIS fondo negro, botellas sobre una lona negra)

BE (SODIS oscuro, botellas control envueltas en papel aluminio)

Hor

as d

el d

ía

Hor

as d

e ex

posi

ción

al s

ol

Mue

stra

Tem

pera

tura

am

bien

te e

n °C

Nº.

C. t

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00m

L

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del

agu

a en

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L

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pera

tura

del

agu

a en

°C

Nº.

C. t

erm

/100

mL

Nº.

E. c

oli/1

00m

L

Tem

pera

tura

del

agu

a en

°C

08:50 0 T0 27,5 3,0E+06 3,0E+06 30 3,0E+06 3,0E+06 30 3,0E+06 3,0E+06 29

10:50 2 T1 NH Ex. Ex. 38 Ex. Ex. 38 Ex. Ex. 32,5

13:50 5 T2 39 1,0E+05 8,1E+04 44 3,7E+03 3,7E+03 45,5 Ex. Ex. 35,5

15:20 6,5 T3 36,5 Ex. Ex. 43 5,7E+02 5,7E+02 44 Ex. Ex. 36

16:50 8 T4 33 1,5E+04 1,5E+04 38,5 1,7E+02 1,7E+02 39 Ex. Ex. 35

Ex. = Excesivo; NH = no hecho


106

Figura 7. Decaimiento de bacterias coliformes termotolerantes y E. coli en función de la temperatura del agua; agua A (agua bruta de la fuente)

Figura 8. Decaimiento de bacterias coliformes termotolerantes y E. coli en función de la temperatura del agua; agua B (contaminada con inóculo cloacal diluido)

Caracterización socioeconómica de los pobladores

Los pobladores tienen en promedio una edad de 35,31 años (mediana: 32,5) en São José do Sabugi y de 30,28 años (mediana: 25,5) en Paus Brancos. La Tabla 5 muestra que la mayoría de las personas de São José do Sabugi, 38 (19%), se encuentra en la franja de edad entre 11 y 20 años. Después, se tienen la franja de 21 a 30 años y de 31 a 40 años con 31 (16%) cada una y la de 51 a 60 años con 29, es decir, 15% de la población. Se observa que solamente 14 (7%) personas se encuentran por encima de los 70 años y ninguna por arriba de los 90 años.

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

0 1 2 3 4 5 6 6.5 7 8

Horas de exposición al sol

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

tura

en

°C AB - No. C.term/100ml

AB - No. E.coli/100ml AP - No. C.term/100ml AP - No. E.coli/100ml AE - No. C.term/100ml AE - No. E.coli/100ml AB - Temperatura AP -Temperatura AE - Temperatura

No.

de

Col

iform

es

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

1.00E+05

1.00E+06

0 1 2 3 4 5 6 6.5 7 8

Horas de exposición al sol

No.

de

Col

iform

es

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

tura

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°C

BB - No. C.term/100ml BB - No. E.coli/100ml BP - No. C.term/100ml BP - No. E.coli/100ml BE - No. C.term/100ml BE - No. E.coli/100ml BB - Temperatura BP -Temperatura BE - Temperatura

1.00E+07

Beatriz Ceballos

107

En Paus Brancos, la mayoría de la población, 39 (25%), se encuentran en la franja de edad entre 0 y 10 años, es decir, más de un cuarto de los pobladores del asentamiento son niños, y la mayoría tiene entre seis y 10 años. De los adultos, la mayoría, 24 (16%), tienen entre 21 y 30 años. Solamente siete personas (4%) tienen por arriba de los 70 años.

El hecho de que la edad media es más baja en Paus Brancos puede relacionarse a la breve existencia del asentamiento.

Una familia o propiedad entrevistada tiene en promedio 4,95 pobladores en São José do Sabugi y 3,85 en Paus Brancos.

La mayoría de las personas que dijeron tener una ocupación se dedican a la agricultura (São José do Sabugi: 55%; Paus Brancos: 64%), una gran parte son estudiantes (São José do Sabugi: 24%; Paus Brancos: 32%) y el resto tiene otra ocupación o son jubilados.

Los pobladores de la comunidad de São José do Sabugi revelan características económicas más favorables, comparadas con los de Paus Brancos. Por ejemplo, las 40 familias entrevistadas poseen cocinas, y solamente una familia no tiene baño en casa, mientras que en Paus Brancos varias casas no tienen cocina ni baño. Es interesante observar que muchas veces durante la entrevista, los propios pobladores afirmaron tener cocina y baño, pues la definición de los lugares para ellos es diferente. Denominan los lugares según los usos, y estos lugares son improvisados por ellos: se llama cocina o baño un rincón de un ambiente, un pedacito de fondo del jardín, una esquina de la casa etc., incluso no teniendo la infraestructura supuesta como básica para el conocimiento y en la percepción de los investigadores.

La comparación de la renta mensual per capita de la población mayor de 15 años de R$ 161,19 (mediana: R$ 100,00), en São José do Sabugi, con la de R$ 110,85 (mediana: R$ 30,00), en Paus Brancos, muestra que, en la primera de las comunidades, los pobladores tienen, considerando la mediana, más de tres veces la renta de la segunda. El resultado está confirmado también como estadísticamente significativo, en el test u, un test no paramétrico, comparando las rentas familiares de las dos comunidades [U = 375; Z = -3,97315; p = 0,000071]. La Figura 9 muestra la mediana de las rentas familiares de las dos comunidades con sus mínimos, máximos y la concentración entre 25 y 75%.


108

Tabla 5. Franja de edad de los pobladores de la comunidad de São José do Sabugi (SJdS) y del asentamiento de Paus Brancos (PB)

Franja de edad Cantidad de personas Porcentaje Niños/ Adolescentes SJdS PB SJdS PB 0 – 2 6 8 3 5 3 – 5 6 6 3 4 6 – 10 13 25 7 16 11 – 15 20 17 10 11 16 – 20 18 11 9 7 Total Niños/ Adolescentes 63 67 32 43 Todos 0 – 10 25 39 13 25 11 – 20 38 28 19 18 21 – 30 31 24 16 16 31 – 40 31 16 16 11 41 – 50 17 15 8 10 51 – 60 29 11 15 7

61 – 70 13 14 6 9 71 – 80 10 3 5 2 81 – 90 4 2 2 1 91 – 100 0 2 0 1 Total Todos 198 154 100 100

Beatriz Ceballos

109

Figura 9. Box-Plot de la comparación del rendimiento familiar en las dos comunidades

En cuanto al nivel de instrucción/escolaridad, los pobladores de São José do Sabugi poseen mayor nivel de educación formal que los de Paus Brancos (Tabla 6). En São José do Sabugi, 14% de los pobladores afirmaron ser analfabetos y 37% en Paus Brancos. Este resultado también puede deberse al hecho de que el nivel de desarrollo social en São José do Sabugi es bastante mayor que el de Paus Brancos, de forma que, en São José, hay escuelas bien establecidas, con profesores locales muy sensibilizados. Además, la mayoría de los habitantes de São José do Sabugi ya nació en la comunidad. Hay, por lo tanto, tradición local, amor por la tierra, por la casa, preocupación por la educación de la familia y acciones comunitarias de educación sanitaria y ambiental. Numerosas familias participan en la recolección y reciclaje de residuos, tienen mayor cantidad de agua y garantía de abastecimiento, entre otros bienes que son valorizados y cuidados por la comunidad. Construyen y hacen mantenimiento de sus propias casas, sus dos iglesias y sus lugares de labranza. En Paus Brancos, se percibe baja escolaridad y falta de una cultura local y de una estabilidad social, que normalmente se establece sólo después de años de convivencia en el lugar y con los vecinos.


110

Tabla 6. Grado de instrucción de los pobladores de la comunidad de São José do Sabugi (SJdS) y del asentamiento de Paus Brancos (PB)

Instrucción Cantidad de personas Porcentaje

SJdS PB SJdS PB

Analfabeto 26 37 14 26

1ª a 4ª serie – enseñanza fundamental 85 93 45 66

5ª a 8ª serie – enseñanza fundamental 35 9 19 6

Enseñanza media incompleta 14 1 7 1

Enseñanza media o curso técnico 21 2 11 1

Graduación 7 0 4 0

Especialización 0 0 0 0

Total 188 142 100 100


111

Abastecimiento de Agua

La cantidad de agua disponible en Paus Brancos es mucho menor que en São José do Sabugi [χ2 = 7,27; g.l. = 1; p = 0,007]: 70% de los pobladores (28 familias) de Paus Brancos y solamente 40% (16 familias) de São José, afirman que falta agua en las casas varias veces por año (Tabla 7). Incluso existiendo numerosas cisternas, la fuente predominante de abastecimiento de agua en São José do Sabugi continúa siendo el pozo (somero o tubular) (Figura 10), que existe en casi todas las casas. Para consumo humano, los pobladores prefieren agua de cisterna (Figura 11), que consideran como más segura, ya que la de los pozos puede estar contaminada. En Paus Brancos, hay pocos pozos y las fuentes están apartadas de la mayoría de las residencias. En consecuencia, las personas acostumbran consumir agua de cisterna para todo tipo de uso (Figuras 12 y 13), que resulta en el agotamiento más rápido de la cisterna, y esto lleva a una situación precaria en relación a la cantidad de agua disponible. En Paus Brancos se observan niños y mujeres buscando agua en fuentes, mientras que esta situación es poco común en São José do Sabugi.

Figura 10. Fuentes de abastecimiento de agua en la comunidad de São José do Sabugi

Figura 11. Fuentes de agua usada para consumo humano en la comunidad de São José do Sabugi

Agua usada para consumo humano

45%

50%

0% 0% 0%

5%

Pozo / NacienteCisterna

FuenteRío / LagoCamión de agua

Otra

Fuente de abastecimiento predominante en las casas

44%

38%

10% 5%

0%

3%

0%

Pozo tubularPozo somero

Naciente (Ojo de agua)CisternaFuenteCamión de aguaOtra


112

Figura 12. Fuente de abastecimiento de agua en el asentamiento de Paus Brancos

Figura 13. Fuentes de agua usada para consumo humano en el asentamiento de Paus Brancos

Tabla 7. Estudio comparativo de falta de agua en São José do Sabugi y Paus Brancos

¿Falta agua en su casa?

Sí No

Comunidad Nº. de familias % Nº. de familias %

São José do Sabugi 16 40% 24 60%

Paus Brancos 28 70% 12 30%

Comparando los datos de falta de agua (Tabla 7) con la situación económica de la familia (renta familiar), se obtuvo un resultado estadísticamente significativo en el test u de São José do Sabugí [U = 86; Z = 2,7981; p = 0,0051], indicando que es más frecuente la falta de agua en las familias con menor rendimiento familiar, mientras que para Paus Brancos, el test no dio significativo, es decir, el rendimiento familiar no es diferente entre los que tienen falta de agua en casa y los que no la tienen [U = 135,5; Z = --0,9592; p = 0,3375]. La Figura 14 muestra la mediana de las rentas familiares de las dos comunidades con sus mínimos, máximos y la concentración de las rentas entre 25 y 75%.

Fuente de abastecimiento predominante en las casas

15% 0%

0%

42%

32%

8% 3%

Pozo tubularPozo someroNaciente (ojo de agua)CisternaFuenteCamión de aguaOtra

Agua usada para consumo humano

5%

77%

5%

3%

10% 0%

Pozo / NacienteCisternaFuenteRío / LagoCamión de aguaOtra

Beatriz Ceballos

113

Figura 14. Box-Plot de comparación de la falta de agua relacionada al rendimiento familiar en Paus Brancos y São José do Sabugi

Efectividad de la divulgación e implementación de SODIS Durante la ejecución del proyecto en el campo, en las dos comunidades aumentó el

número de usuarios regulares de SODIS.

La Tabla 8 y la Figura 15 muestran el desarrollo en el uso de SODIS y de otros tipos de tratamiento de agua en São José do Sabugi, mientras que la Tabla 9 y la Figura 16 muestran las mismas informaciones de Paus Brancos.

falta agua – no falta agua falta agua – no falta agua

Ren

dim

ient

o fa

mili

ar e

n R

$

Beatriz Ceballos

114

Tabla 8. Resultados de los cuestionarios aplicados en São José do Sabugi sobre tratamientos de agua usados por los pobladores

Visita SODIS Cloración Hervido Filtro domestico Otro Ninguno

11.02.2006 48% 50% 8% 15% 8% NH

18.03.2006 57% 62% 14% 16% 3% 3%

07.05.2006 67% 38% 0% 3% 0% 10%

03.06.2006 75% NH NH NH NH NH

02.07.2006 85% NH NH NH NH NH

NH = no hecho Tabla 9. Resultados de los cuestionarios aplicados en Paus Brancos sobre tratamientos de agua usados por los pobladores

Visita SODIS Cloración Hervido Filtro domestico Otro Ninguno

13.05.2006 15% 26% 6% 6% 0% NH

03.06.2006 26% 23% 0% 6% 3% 43%

01.07.2006 17% 22% 6% 14% 6% 47%

29.07.2006 24% NH NH NH NH NH

19.08.2006 21% NH NH NH NH NH

NH = no hecho


115

Figura 15. Resultados de los cuestionarios aplicados en São José do Sabugi sobre tratamientos de agua usados por los pobladores

Figura 16. Resultados de los cuestionarios aplicados en São José do Sabugi sobre tratamientos de agua usados por los pobladores

Comparando las dos comunidades, se observa que SODIS es más aceptado en São José do Sabugi que en Paus Brancos (Figura 17).

Cloración

SODIS

Hervido

Filtro doméstico Otro

No hace

% d

e en

trev

ista

dos

% d

e en

trev

ista

dos

Cloración

SODIS

Hervido

Filtro doméstico Otro

No hace


116

Figura 17. Desarrollo de SODIS, comparando las dos comunidades

El hecho de la mayor aceptabilidad de SODIS en São José do Sabugi confirma solamente la teoría de que comunidades más desarrolladas y con mayor nivel socioeconómico son más abiertas a nuevas tecnologías, pero también el hecho de que la comunidad necesita de un acompañamiento intensivo para adaptarse al nuevo tratamiento de agua. El trabajo del equipo del Proyecto en la comunidad de São José do Sabugi fue más extenso que el trabajo en Paus Brancos. Esto ocurrió porque hubo un gran interés por parte de los multiplicadores, que recibieron también alguna remuneración, pero también porque la comunicación fue más fácil. Hay varios teléfonos en la comunidad, los multiplicadores conversaron regularmente entre ellos mismos y las conversaciones fueron críticas y constructivas. Con seguridad, el mayor nivel de comprensión es principalmente responsable del éxito del desarrollo de la implementación de SODIS en São José do Sabugi.

Otro factor de éxito es el trabajo de “marketing”. Cuanta más publicidad de SODIS, mayor la confianza en el método. Esto puede ser confirmado por la experiencia de campo de este proyecto. Un mes después de la presentación de SODIS en las comunidades, 47% de las familias de São José do Sabugi afirmaron usar el método. Este porcentaje aumentó al 67% dos meses más tarde, después de conferencias y asistencias adicionales del equipo del Proyecto en las reuniones de las asociaciones de los pobladores, llegando a 85% al final del Proyecto. En Paus Brancos, donde el trabajo de acompañamiento y propaganda fue más limitado, el éxito de SODIS no ocurrió de la misma forma, alcanzando un máximo de 26% de familias y 21% al final del proyecto, que declaraban usar el tratamiento. El uso de cualquier tratamiento de agua no aumentó significativamente en Paus Brancos durante el desarrollo del Proyecto, lo cual mostró que el trabajo de acompañamiento, concientización y educación sanitaria no fue suficiente. En São José do Sabugi, el número de familias que usaron otros tipos de tratamiento de agua disminuyó con el aumento de usuarios de SODIS.

En general, se notó un cierto desinterés de la población, que también fue confirmado por los multiplicadores de São José do Sabugi, que contaron en la última visita de campo que otro proyecto de ellos, la separación de residuos, estaba “muriendo” a causa de este desinterés y de la falta de voluntarios. Las Figuras 18-21 muestran pobladores, niños y las botellas de SODIS expuestas al sol en São José do Sabugi.

Porc

enta

je d

e fa

mili

as q

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afirm

an h

acer

SO

DIS

Beatriz Ceballos

117

Figura 18. Niños jugando al lado de la cisterna; São José do Sabugi, PB; 20.08.2006

Figura 19. Niños mostrando las botellas de SODIS arriba de la cisterna; São José do Sabugi, PB;

20.08.2006

Figura 20. Poblador realizando SODIS; São José do Sabugi, PB; 20.08.2006

Figura 21. Botellas de SODIS arriba de una cisterna, PB

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Beatriz Ceballos

119

4

Application of SODIS in rural communities of Paraíba, Brazil

Beatriz Ceballos

Departamento de Biología, Universidade Estadual da Paraíba, Paraíba, Brazil

[email protected]

SUMMARY

The SODIS method was implemented in two communities in the State of Paraíba. The first implantation was in São José do Sabugi, included the experimental activities carried out at the site Riacho da Serra, located in the Seridó region in western Paraibano, in the “sertão” region in northeastern Brazil. The region studied includes the locations of Riacho da Serra, Jacú, Latadinha, Manoel Lopes and Camalau, with a total of 74 families.

The second community where part of the filed study was developed was Paus Brancos, located in the microbasin of the Riacho Angico spring, tributary of the Riacho São Pedro river (sub-basin of the same name), in the municipality of Campina Grande, in the rural area of Paraibano. Allí se localiza el asentamiento del poblado de Paus Brancos, con 72 familias (Silva et al., 1987; Baracuhy, 2001).

In order to have a general overview of the social and economic level of the inhabitants of the communities selected, as well as their education level, and to assess their perception regarding the use and quality of their consumption water and its limitations, surveys were conducted before proceeding to the implementation of the SODIS method. At a later stage, SODIS application campaigns with new questionnaires were carried out.

Forty families (out of 58) from the community of São José do Sabugi and 40 families from Paus Brancos were interviewed, that is, a representative sample of approximately 70% of the population. Thus, a total of 198 individuals from the 40 families in São José do Sabugi plus 154 individuals from Paus Brancos were interviewed.

The team of Prof. Beatriz Ceballos carried out the implementation of SODIS in this community through offices and informational conferences. Currently, around 60% of the local inhabitants use this technique to disinfect their water. These data are detailed in the second part of the report.


120


A preliminary experiment was carried out to determine, in situ, the conditions of temperature, solar radiation and solar exposure time necessary to eliminate coliforms under local climatologic conditions so as to adapt the method before transferring it to the population selected for the study.

To carry out the field experiment in São José do Sabugi, a Basic microbiology laboratory (Figure 1) was set up at the health dependency of Riacho da Serra (Figure 2).

Figure 1. Health dependency of Riacho da Serra, São José do Sabugi, PB; Jan 03, 2006

Figure 2. Field laboratory at the health dependency of Riacho da Serra, São José do

Sabugi, PB; Jan 03, 2006

Development of the SODIS experiment

The water source was a shallow well from the town of Riacho da Serra (Figure 3). Water collection was done by means of a tube outside the well (with a pump). A 60-liter Styrofoam recipient and an unused plastic bucket were washed with water from the well used for collection. The Styrofoam recipient was filled with well water (untreated) collected with the plastic bucket. After a homogenization procedure with sterile glass rods, PET bottles were filled with the water collected. These samples with untreated water were called A-class water. After the first collection, the Styrofoam recipient and the bucket were washed again and the Styrofoam recipient was immediately filled with well water to which 60 mL of sewage waste were added in order to have a greater population of coliform bacteria. This second type of water was called B-class water. Before filling the bottles, B-class water samples with the sewage inoculums were shaken to obtain a homogeneous sample.

Beatriz Ceballos

121

Figure 3. Shallow well, water source for the SODIS and SORAS experiments. Site: Riacho da Serra, São José

do Sabugi, PB; Dec 16, 2005

Figure 4. Bottles exposed to sunlight. Control (wrapped in aluminum foil), transparent and on a black surface. Site: Riacho da Serra, São José do Sabugi, PB; Dec

16, 2005

Collection began at 07:55 am and finished at 08:40 am. After this, the bottles were taken to the place where they would be exposed to sunlight (in the yard of the health dependency) (Figure 4).

Temperatures (air and water) were measured each hour from 08:50 (exposure of the bottles to sunlight = T0) until the conclusion of the experiment (16:50, T4). Three different types of bottles (transparent PET, transparent PET on a black surface, and PET wrapped with aluminum foil) were used for the hourly measurement of temperature. To this end, a whole was punched in the plastic caps and a thermometer was inserted through it. After the pre-set exposure times (2, 5, 6.5 and 8 hours), six bottles corresponding to the three experimental variables were removed each time, since duplicate experiments were carried out. The last set of bottles was removed at 16:50, after 8 hours of solar exposure. The sky was clear of clouds during almost all the time of the experiment.

Quantification of thermotolerant coliforms and E. coli

The quantification of thermotolerant coliforms before, during, and after treating water with SODIS, was carried out by the membrane filtration technique, one of the standard methods of APHA (1998). The culture media was m-FC (Difco). Incubation was done at 44.5 °C ± 0.5 °C during 24 hours. To quantify E. coli, five coliforms colonies were selected from each of the culture plates with growth, and were then transferred with a microbiological needle for tubes with FC-MUG media and incubated during another 24 hours at 35 °C. After this, the tubes were observed under UV light. Those presenting fluorescence were considered positive for E. coli. Laboratory tasks were carried out at the filed laboratory set up in the health dependency of São José do Sabugi (Figure 5). Figure 6 shows the plates with the results after 24 hours of incubation.


122

Figure 5. Field laboratory at the health dependency. Site: Riacho da Serra; São José do Sabugi, PB; Jan 05,

2006

Figure 6. Plates with the results after 24 hs. of incubation. Site: Riacho da Serra, São José do Sabugi,

PB; Jan 05, 2006

Dissemination activities and implementation of the SODIS method at the communities

The dissemination of the SODIS method at the communities was mainly carried out through events organized at schools and community associations. In these meetings, information about the method was provided and brochures and posters explaining the steps involved were distributed. After community leaders were educated, that is, after they were formed as SODIS multipliers, dissemination activities were carried out where these leaders basically did personal visits to the homes of the inhabitants.

Also, monthly field trips were done to accompany the community; during these trips questionnaires were distributed and meetings were held with the leaders or multipliers.


SODIS experiment

Variation of coliform bacteria concentration with temperature

According to the results shown in Table 1 and to Figure 7, microorganism inactivation (thermotolerant coliforms and E. coli) is related to temperature, if the limited number of data allows statistical confirmation of this result. In general, at higher temperature of the environment, and therefore inside the bottle, more efficient is bacterial inactivation, which is in agreement with results reported elsewhere in the literature (Donaire and Jardim, 2001; Lonnen et al, 2005; Martín-Domínguez et al 2006; Méndez-Hermida et al, 2005; Paterniani y Do Silva, 2004; Xavier et al, 2005). The results obtained with control bottles show the importance of sunlight in the disinfection process. With temperatures of 36 °C,

Beatriz Ceballos

123

coliforms inactivation occurred inside the bottles that were wrapped with aluminum foil to prevent sunlight from hitting the water, and in transparent bottles there was a rather marked decrease of bacterial concentration. Table 1 shows that in dark control bottles there was an active reproduction, reaching extremely high values, with an excessive number in the dilution used for the experiment.

After five hours of exposure to sunlight (T2), total inactivation of thermotolerant coliforms and E. coli was recorded; in the last sample (T4), after 8 hours of exposure to sunlight, thermotolerant coliforms were found but in minimal concentrations. In this case, a reactivation of the scarce coliforms that remained in stressed state because of the action of the light associated to high temperatures was observed; it may also be possible that a re-contamination occurred at the laboratory, because a bacteriological re-growth within those times and with a decreased water temperature is rare in the literature, although not impossible (Ceballos et al, 2003).

It should be noted that there was a significant difference in water temperature between transparent bottles (conventional SODIS) and the bottles placed on a black surface. The latter reached values somewhat higher after four hours of solar exposure.

Experiment B, carried out with water from the same source but with the addition of a sewage inoculum with a concentration of 100 mL/60 L, the efficiency of SODIS was observed. Even when the values of thermotolerant coliforms reached zero, there was a significant decrease, as summarized in Table 2 and in Figure 8, equivalent to 3% (0.1 % in the bottles placed on a black surface) of the initial population after 5 hours (T2) and to 0.5% (0.01) after 8 hours (T4).


124

Table 1. Density of thermotolerant coliforms and E. coli in 100 mL of water by methods tested with water “A” (untreated water as extracted from its source)

AB (conventional SODIS,transparent bottles)

AP (SODIS on a black surface, bottles placed on a black canvas)

AE (dark SODIS, control bottles wrapped with aluminum foil)

Tim

e of

day

Expo

sure

tim

e

Sam

ple

Tem

pera

ture

of t

he e

nviro

nmen

t(°

C)

No.

The

rm.C

/100

mL

No.

E. c

oli/1

00 m

L

Wat

er

tem

pera

ture

(°C

)

No.

The

rm.C

/100

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No.

E. c

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L

Wat

er

tem

pera

ture

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No.

The

rm.C

/100

mL

No.

E. c

oli/1

00 m

L

Wat

er

tem

pera

ture

(°C

)

08:50 0 T0 27.5 2.0E+03 2.0E+03 30 2.0E+03 2.0E+03 30 2.0E+03 2.0E+03 29

10:50 2 T1 ND 2.1E+02 2.1E+02 38 3.1E+02 3.1E+02 38 1.1E+03 1.1E+03 32.5

13:50 5 T2 39 0.0E+00 0.0E+00 44 0.0E+00 0.0E+00 45.5 Ex. Ex. 35.5

15:20 6.5 T3 36.5 0.0E+00 0.0E+00 43 0.0E+00 0.0E+00 44 Ex. Ex. 36

16:50 8 T4 33 4.5E+00 0.0E+00 38.5 2.0E+00 0.0E+00 39 Ex. Ex. 35

Ex. = Excessive; ND = not done

Beatriz Ceballos

125

Table 2. Density of thermotolerant coliforms and E. coli in 100 mL of water by methods tested with water “B” (water contaminated with diluted sewage inoculum)

BB (conventional SODIS,transparent bottles)

BP (SODIS on a black surface, bottles placed on a black canvas)

BE (dark SODIS, control bottles wrapped with aluminum foil)

Tim

e of

day

Expo

sure

tim

e

Sam

ple

Tem

pera

ture

of t

he e

nviro

nmen

t in

°C

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C)

No.

The

rm.C

/100

mL

No.

E. c

oli/1

00 m

L

Wat

er te

mpe

ratu

re (°

C)

08:50 0 T0 27.5 3.0E+06 3.0E+06 30 3.0E+06 3.0E+06 30 3.0E+06 3.0E+06 29

10:50 2 T1 ND Ex. Ex. 38 Ex. Ex. 38 Ex. Ex. 32.5

13:50 5 T2 39 1.0E+05 8.1E+04 44 3.7E+03 3.7E+03 45.5 Ex. Ex. 35.5

15:20 6.5 T3 36.5 Ex. Ex. 43 5.7E+02 5.7E+02 44 Ex. Ex. 36

16:50 8 T4 33 1.5E+04 1.5E+04 38.5 1.7E+02 1.7E+02 39 Ex. Ex. 35

Ex. = Excessive; ND = not done


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Figure 7. Decrease in thermotolerant bacteria and E. coli as a function of water temperature; water “A” (untreated water as extracted from its source)

Figure 8. Decrease in thermotolerant bacteria and E. coli as a function of water temperature; water “B” (contaminated with diluted sewage inoculum)

Socioeconomic characterization of the inhabitants

The inhabitants are in average 35.31 years old (median: 32.5) in São José do Sabugi and 30.28 years old (median: 25.5) in Paus Brancos. Table 5 shows that most people from São José do Sabugi (38 individuals representing 19%) is between 11 and 20 years old. Then come those between 21 and 30 years old and between 31 and 40 years old with 31 (16%) individuals each, and those between 51 and 60 years old with 29 individuals, i.e., 15% of the population. Only 14 individuals (7%) are older than 70 years old, and none above 90.

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

0 1 2 3 4 5 6 6.5 7 8

Hours of sun exposure

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

ture

in °C

AB - No. Therm.C/100ml AB - No. E.coli/100ml AP - No. Therm.C/100ml AP - No. E.coli/100ml AE - No. Therm.C/100ml AE - No. E.coli/100ml AB - Temperature AP -Temperature AE - Temperature

No.

of C

olifo

rms

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

1.00E+05

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0 1 2 3 4 5 6 6.5 7 8

Hours of sun exposure

No.

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rms

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

ture

in °C

BB - No. Therm.C/100ml BB - No. E.coli/100ml BP - No. Therm.C/100ml BP - No. E.coli/100ml BE - No. Therm.C/100ml BE - No. E.coli/100ml BB - Temperature BP -Temperature BE - Temperature

Beatriz Ceballos

127

In Paus Brancos, most of the population (39 individuals, 25%) are between 0 and 10 years old, that is, more than one fourth of the inhabitants are children, most of them between the ages of six and 10. Considering the adult population, 24 individuals (16%) are between 21 and 30 years old. Only seven individuals (4%) are older than 70.

The fact that the mean age is lower in Paus Brancos may be related to the short life of the settlement.

One interviewed family or property has in average 4.95 inhabitants in São José do Sabugi and 3.85 in Paus Brancos.

Most people that informed having an occupation develop agricultural activities (São José do Sabugi: 55%; Paus Brancos: 64%), a large part are students (São José do Sabugi: 24%; Paus Brancos: 32%), and the rest has some other occupation or are retired.

The inhabitants from São José do Sabugi present more favorable economic characteristics in comparison with those from Paus Brancos. For example, the 40 families interviewed in São José do Sabugi have kitchen and only one of them does not have a bathroom inside the house, whereas in Paus Brancos there are several houses with no kitchen or bathroom. However, it is interesting that during the interviews those who lack a kitchen or a bathroom said that they do have such facilities; this is due to a difference in concept. They call places based on their use, and the places are improvised by them: thus, a kitchen or a bathroom is a corner in a room, a piece of the land outside the house, a corner in the house, etc., even if they do not have the basic infrastructure usually associated with these spaces.

The monthly income per capita for the population above 15 years old is R$ 161.19 (median: R$ 100.00) in São José do Sabugi and R$ 110.85 (median: R$ 30.00) in Paus Brancos, which shows that in the former, inhabitants have more than three times the income than those in the latter (considering median values). The result is confirmed also as statistically significant with the u test, which is a non-parametric test, comparing family income for the two communities [U = 375; Z = -3.97315; p = 0.000071]. Figure 9 shows the family income median for both communities with minimums and maximums and the concentration between 25 and 75%.


128

Table 5. Age groups for inhabitants from the community of São José do Sabugi (SJdS) and the settlement of Paus Brancos (PB)

Age group Number of people Percentage Children/Teenagers SJdS PB SJdS PB 0 – 2 6 8 3 5 3 – 5 6 6 3 4 6 – 10 13 25 7 16 11 – 15 20 17 10 11 16 – 20 18 11 9 7 Total children/teenagers 63 67 32 43 All 0 – 10 25 39 13 25 11 – 20 38 28 19 18 21 – 30 31 24 16 16 31 – 40 31 16 16 11 41 – 50 17 15 8 10 51 – 60 29 11 15 7 61 – 70 13 14 6 9 71 – 80 10 3 5 2 81 – 90 4 2 2 1 91 – 100 0 2 0 1 Total all 198 154 100 100

Beatriz Ceballos

129

Figure 9. Box-Plot of the comparison of family performance in both communities

As regards the educational level of the inhabitants, those from São José do Sabugi have more years of formal studies than those from Paus Brancos (Table 6). In São José do Sabugi, 14% of the inhabitants said that they were illiterate, versus 37% in Paus Brancos. This can also be due to the fact that the level of social development in São José do Sabugi is greater than that in Paus Brancos, which results in the existence of well-established schools with very committed local teachers in São José. Also, most of the inhabitants of São José do Sabugi were born in the community. Therefore, there is local tradition, love for their land and their home, concern for the education of the family and community actions relating to sanitary and environmental education. Many families take part in the collection and recycling of garbage, they have more water and certainty regarding supply, among other assets that are appreciated and looked after by the community. They build and maintain their own houses, their two churches and their farming sites. In Paus Brancos, on the other hand, a low level of formal education and a lack of a local culture and social stability are perceived, which are aspects usually developed after years of living in the place and coexisting with their neighbors.

Family performance

Fam

ily p

erfo

rman

ce in

R$

Median 25 – 75%


130

Table 6. Formal education level for inhabitants from the community of São José do Sabugi (SJdS) and the settlement of Paus Brancos (PB)

Formal education Number of people Percentage

SJdS PB SJdS PB

Illiterate 26 37 14 26

1st to 4th grade – basic school 85 93 45 66

5th to 8th grade – basic school 35 9 19 6

Incomplete middle school 14 1 7 1

Middle school or technical courses 21 2 11 1

Grade school 7 0 4 0

Specialization 0 0 0 0

Total 188 142 100 100


131

Water supply

The amount of water available in Paus Brancos is much lower than in São José do Sabugi [χ2 = 7.27; g.l. = 1; p = 0.007]: 70% of the inhabitants (28 families) from Paus Brancos and only 40% (16 families) de São José state that there is a lack of water in their houses several times a year (Table 7). Even with the existence of numerous cisterns, the major water supply source in São José do Sabugi still is the well (shallow or tubular) (Figure 10) that is present in almost all houses. For human consumption, the inhabitants prefer cistern water (Figure 11) because they consider it to be safer than well water, which might be contaminated. In Paus Brancos, there are a few wells and fountains are far from most residences. As a consequence, people usually consume cistern water for all types of uses (Figures 12 and 13), which results in a faster exhaustion of the cistern and generates a precarious situation regarding the amount of water available. In Paus Brancos children and women were observed collecting water from fountains, whereas this is rare in São José do Sabugi.

Figure 10. Water supply sources in the community of São José do Sabugi

Figure 11. Water sources used for human consumption in the community of São José do

Sabugi

Water used for human consumption

45%

50%

0% 0% 0%

5%

Well / SpringCistern

FountainRiver / LakeWater cartOther

Main supply source in houses

44%

38%

10% 5%

0%

3%

0%

Tubular wellShallow well

SpringCisternFountainWater cartOther


132

Figure 12. Water supply sources in the settlement of Paus Brancos

Figure 13. Water sources used for human consumption in the settlement of Paus

Brancos

Table 7. Comparative study of the lack of water in São José do Sabugi and Paus Brancos

Is there a lack of water in your home?

Yes No

Community No. of families % No. of families %

São José do Sabugi 16 40% 24 60%

Paus Brancos 28 70% 12 30%

Comparing the data about lack of water (Table 7) with the economic situation of the families (family income), a statistically significant result was obtained with the u test in São José do Sabugí [U = 86; Z = 2.7981; p = 0.0051], indicating that the lack of water is more frequent in families with lower income, whereas for Paus Brancos, the test did not yield any significant results, that is, family income is not different for those who suffer lack of water and those who do not [U = 135.5; Z = --0.9592; p = 0.3375]. Figure 14 shows the family income median for both communities with minimums and maximums and the concentration of income between 25 and 75%.

Main supply source in houses

15% 0%

0%

42%

32%

8% 3%

Tubular wellShallow wellSpringCisternFountainWater cartOther

Water used for human consumption

5%

77%

5%

3%

10% 0%

Well / SpringCisternFountainRiver / LakeWater cartOther

Beatriz Ceballos

133

Figure 14. Box-Plot comparing the lack of water in relation to family income in Paus Brancos and São José do Sabugi

Effectiveness of the dissemination and implementation of SODIS During the development of the field project, the number of SODIS users increased in

both communities.

Table 8 and Figure 15 show the development in the use of SODIS and other water treatment types in São José do Sabugi, whereas Table 9 and Figure 16 show the same information for Paus Brancos.

falta agua – no falta agua falta agua – no falta agua

Ren

dim

ient

o fa

mili

ar e

n R

$ Fa

mily

per

form

ance

in R

$

Median 25 – 75%

Beatriz Ceballos

134

Table 8. Results of the questionnaires carried out in São José do Sabugi about water treatment types used by inhabitants

Visit SODIS Chlorination Boiling Domestic filter Other None

11.02.2006 48% 50% 8% 15% 8% ND

18.03.2006 57% 62% 14% 16% 3% 3%

07.05.2006 67% 38% 0% 3% 0% 10%

03.06.2006 75% ND ND ND ND ND

02.07.2006 85% ND ND ND ND ND

ND = not done Table 9. Results of the questionnaires carried out in Paus Brancos about water treatment types used by inhabitants

Visit SODIS Chlorination Boiling Domestic filter Other None

13.05.2006 15% 26% 6% 6% 0% ND

03.06.2006 26% 23% 0% 6% 3% 43%

01.07.2006 17% 22% 6% 14% 6% 47%

29.07.2006 24% ND ND ND ND ND

19.08.2006 21% ND ND ND ND ND

ND = not done


135

Figure 15. Results of the questionnaires carried out in São José do Sabugi about water treatment types used by inhabitants

Figure 16. Results of the questionnaires carried out in São José do Sabugi about water treatment types used by inhabitants

Comparing both communities, it can be observed that SODIS is more accepted in São José do Sabugi than in Paus Brancos (Figure 17).

Chlorination

SODIS

Boiling

Domestic filter Other

None

% o

f sur

veye

d pe

ople

Visit

% o

f sur

veye

d pe

ople

Chlorination

SODIS

Boiling

Domestic filter Other

None

Visit


136

Figure 17. Development of SODIS comparing both communities

The fact that SODIS is more accepted in São José do Sabugi only confirms the theory that the more developed and the higher the socioeconomic level of communities, the more open they are to new technologies; however, the community needs intensive “coaching” to be able to adapt to the new water treatment method. The work carried out by the team of this project in the community of São José do Sabugi lasted longer than that carried out in the community of Paus Brancos. This was due to the great interest that the method awakened in the multipliers, who received some kind of monetary compensation, but also because communication was easier. There are several phones in the community, multipliers talked regularly among themselves and the conversations were critic and constructive. Without a doubt, the greater level of understanding is the main responsible for the success of the implementation of SODIS in São José do Sabugi.

A second factor is marketing. The more SODIS is advertised, the greater the trust in the product. This can be confirmed by the field experience of this project. One month after SODIS was presented in the communities, 47% of the families in São José do Sabugi stated that they were using the method. This percentage increased to 67% two months later, after additional conferences and assistance sessions carried out by the project team during the meetings with local associations, and it reached 85% by the time the project concluded. In Paus Brancos, where the escorting and advertising work was more limited, the success of SODIS was different, reaching a maximum of 26% of the families – and 21% upon conclusion of the project – who stated using the treatment method. The use of all water treatment methods considered together did not increase significantly in Paus Brancos during the development of the project, which showed that assistance, awareness and sanitation education activities were not enough. In São José do Sabugi, the number of families that used other types of water treatment methods decreased as the use of SODIS increased.

In general, a certain lack of interest was observed in the population, also confirmed by the multipliers from São José do Sabugi, who mentioned during the last field trip that another project they are developing, garbage classification, was “dying” due to this lack of

Perc

enta

ge o

f fam

ilies

that

cl

aim

usi

ng S

OD

IS

Visit

Beatriz Ceballos

137

interest and volunteers. Figures 18-21 show inhabitants, children, and the SODIS bottles exposed to sunlight in São José do Sabugi.

Figure 18. Children playing by a cistern; São José do Sabugi, PB; Aug 20, 2006

Figure 19. Children showing he SODIS bottles on top of the cistern; São José do Sabugi, PB;

Aug 20, 2006

Figure 20. Inhabitant using the SODIS method; São José do Sabugi, PB; Aug 20, 2006

Figure 21. SODIS bottles on top of a cistern, PB

REFERENCES

Albuquerque, J.S. (2004): Desarrollo de un sensor óptico para la determinación de hidrocarbonetos aromáticos en águas empregando espectroscopia NIR. Tese de mestrado en química analítica, UFPE, 2004.

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L. Cornejo, H. Lienqueo, M. Arenas, J. Acarapi, H. Mansilla and J. Yañez

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Removal of arsenic from natural waters of the Camarones River and their use for human consumption by the modified SORAS – zerovalent iron technology

Lorena Cornejo, Hugo Lienqueo, María Arenas, Jorge Acarapi, Héctor Mansilla y Jorge Yañez

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Tarapacá y Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto, Arica, Chile.

[email protected]

SUMMARY

In this last stage of the work planned within Project OAS/AE/141, two of the three technologies mentioned in the project were combined. It was demonstrated that the application of the SORAS technology for the decontamination of water from the Camarones River is feasible if the technology is modified and adapted to the geographic and environmental context of the region. Due to the absence of natural iron in the waters from the Camarones River, it should be artificially added. Thus, together with the addition of citrate as lemon juice, arsenic removal rates above 99% are obtained.

INTRODUCTION

The quality of water for human consumption has been throughout history an indicator of the quality of life and a critical factor for human welfare. The biological contamination of drinking water, mainly in economically challenged countries, has caused catastrophes that have decimated entire populations (Hug et al, 2001). On the other hand, waters that are chemically contaminated, either by human activity or from natural sources, have also caused great suffering to people who are forced to drink it or use it for irrigation.

Among inorganic chemical contaminants present in ground and surface waters, arsenic outstands due to its long historical presence, attributed to natural causes such as


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the dissolution of minerals in surface or ground waters, or as a consequence of mining activities, and nowadays because it is a renowned cancer inducer.

In the Province of Arica, in the middle of the Atacama Desert, northern Chile, arsenic is a common contaminant in the different substrata (water, soil and vegetables). In this region, the problem of arsenic comes from dragging minerals present in the soil, from mountain areas, by the action of natural water currents. The problem of contamination is worse in rural communities in this area due to the lack of simple and low-cost water decontamination techniques. The communities in this rural area are scattered and isolated, and they are not connected to any drinking water network, and socioeconomic conditions are highly unfavorable. In addition to this, access ways, and transportation and communication services are limited in quantity and quality.

The community of Camarones was selected for the application of the modified SORAS – zerovalent iron technology due to the high contents of arsenic in natural water for human consumption, with values in the order of 1000 µg L-1 (100 times above the threshold set forth by the WHO). The maximum limit accepted by the World Health Organization (WHO) for arsenic content in drinking water is 0.01 mg L-1, which is the value set forth by Chilean Standard 409/1. Of 2005 as well (Chilean National Standardization Institute, 2005; World Health Organization, 1993).

In order to overcome this limitation, these last four years were spent working to adapt the SORAS technology (Hug et al, 2001) for the purification of human consumption water with low-cost supplies, simplifying its use for the inhabitants of these rural areas. As a result, the technology was suited to the specific conditions of the Camarones Valley. This new technical procedure was finally called modified SORAS – zerovalent iron technology.

The purpose of the last stage of the project was combining the 3 technologies involved in the research (SODIS, SORAS and Solar Heterogeneous Photocatalysis) and suiting them to the socioeconomic condition of the implementation regions in the participating countries. In the case of Chile, it was possible to combine 2 of the 3 technologies, SORAS/SODIS, with excellent results.


The Camarones Canyon is about 100 km to the south of the city of Arica, in the north of Chile (19°00’ S and 69°47’ W); it is a narrow and winding, 150-km long, stretch of land with an approximate surface of 4,500 hectares and crossed by the Camarones River. This river is the most important hydric resource in the area, and the main source of water historically used by living beings in the region; it is also the most important resource for agricultural and stockbreeding activities, as well as for human consumption.

The Camarones River is born from tributaries (Ajatama and Caritaya rivers) at the top of the high plateau and is an endorheic water course, whose flow and runoff not always run into the ocean. It is a hydric system whose flow and physicochemical characteristics vary with the seasons. There are also variations along its course due to the presence of minor tributaries, mainly springs.


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The communities selected for the study in this canyon were Esquiña, Illapata and Camarones, because they use the water from this river as drinking water and to cook food (Mansilla and Cornejo Ponce, 2002). The climate in these areas is characterized by great biological influence conditions: high temperatures during the day and a wide temperature range between day and night.

The community of Esquiña consumes water mainly from springs in the valley that carry less arsenic, whereas the community of Illapata mainly consumes water from the Camarones River, with a high content of arsenic. In both locations, the concentration of arsenic in drinking water is between 7.25 and 125 times above the threshold recommended by the WHO (10 µg L-1). Arsenical species found in aqueous extractions from human hair correspond mainly to inorganic arsenic (around 98%), with a predominance of arsenic (III). Hair samples presented concentrations of 0.26 µg g-1 and 3.75 µg g-1 in Esquiña and Illapata, respectively. In the locations studied, the concentrations of arsenic (III) showed the best correlation to factors such as age and time of residence in the communities (Yañez et al, 2005).

APPLICATION OF THE SORAS AND MODIFIED SORAS – ZEROVALENT IRON TECHNOLOGIES

In 2002, within the framework of the OAS/AE/141 Project, an applicability study of the SORAS technology was initiated simultaneously in Argentina, Chile and Peru, considering the areas selected in a prior survey of rural communities (Mansilla y Cornejo Ponce, 2002). In this survey, for the specific case of Chile, selection site criteria were presented together with information gathered from previous studies. In a later article, a study containing the results obtained both in laboratory tests and field activities was presented (Mansilla y col., 2003). This project had used a black-light lamp to simulate solar radiation and a statistical system based on the response surface methodology to optimize reaction conditions. Finally, the technology was assessed with water samples from the Camarones River. To do so, iron (II) and citrate as lemon juice were added as reagents, and samples were exposed to solar radiation at noon in the city of Concepción during 4 hours. The arsenic removal rate was 95% (Lara, 2003; Lara et al, 2006).

The second part of the project was carried out in Arica, adapting the technology to the specific conditions of the site selected. A physicochemical analysis was performed to determine water properties at three different times of the year. The feasibility of using lemon juice to replace sodium citrate was studied and 3 different types of lemon were tested: yellow lemons with thin skin and seeds, big yellow lemons with thick skin and seeds, and green lemons with thin skin and no seeds (Citrus latifolia). The concentration of sodium citrate contributed by each drop of the different types of lemon was determined, and it was concluded that the green lemon with no seeds presents the lower value and does not affect water pH. Also, the absence of iron in the waters of the Camarones River required finding suitable ways to add it. The goal was finding a low-cost material that is easily accessible for the inhabitants, and domestic utensils were considered (nails, wires, steel wool, etc.). A removal efficiency of 99.8% of arsenic was achieved using two grams of steel wool and one drop of lemon juice for the treatment of one liter of water. This technology was called modified SORAS – zerovalent iron technology (Flores et al, 2003; Cornejo Ponce et al, 2004).

At a later stage, research activities focused on adapting the modified SORAS – zerovalent iron technology to achieve in a simple and economic way the decontamination


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of river waters. Tests were carried out in areas that included reactor inclination studies, radiation studies (distribution of radiation in time), effects of solar radiation (light and darkness), height, and season. Additionally, the optimum iron-citrate ratio was corroborated, together with commonly used materials, by means of the response surface methodology. The statistical information thus obtained confirmed the ratio of 2 g of steel wool and one drop of lemon juice per liter of water for a removal of more than 99% of the arsenic present in the waters from the Camarones River by solar radiation at the study site. Also, it was concluded that the best position for the reactors is that of an inclined plane, and that the optimum solar exposure time is 4 hours. As regards seasons, the time of year that yielded the best performance in the community of Camarones was summer, whereas in Esquiña and Illapata the season that allowed achieving the highest removal rates was winter. In each of these seasons, removal rates of more than 99% of the total content of arsenic (V) were obtained. This is in direct relation with sky clarity at each season of the year (Lienqueo and Platero, 2005; Cornejo Ponce et al, 2006) (Table 1).

Table 1. Seasonal levels of arsenic removal for communities in the Camarones Valley

Season

As(V) removal in Camarones (%)

As(V) removal in Illapata and Esquiña (%)

Summer 99.5 98.9

Fall 99.0 99.0

Winter 99.0 99.9

VALIDATION OF THE TECHNOLOGIES AT THE LABORATORY AND IN THE FIELD

Water samples from the Camarones River (Figure 1) were taken from two sites: the community of Camarones (site 1) and the communities of Esquiña and Illapata (site 2). Samples were taken throughout the year to make sure seasonal variations were accounted for; 13 physicochemical parameters were analyzed, whose ranges are shown in Table 2. Microbiological analyses were also performed to determine the presence of total coliforms in water before and after applying the modified SORAS – zerovalent iron treatment.

The studies related to the adaptation of the SORAS technology were carried out at the laboratory and validated in the field (Lara, 2003; Lara et al, 2006). The modified SORAS – zerovalent iron technology was studied at the lab and verified with solar radiation at the towns of Arica and Camarones. Its subsequent adaptation and fine tuning were carried


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out with real samples exclusively and in situ in the towns of Camarones and Esquiña - Ilapata (Flores et al, 2003; Lienqueo and Platero, 2005; Cornejo Ponce et al, 2006).

Figure 1. Sampling activities at the Camarones River

Physicochemical and microbiological characterization of the water

The physicochemical and microbiological quality of the hydric resources considered in this study was assessed, before and after the treatment of river waters by the modified SORAS – zerovalent iron technology, in order to assess the efficacy of the technology developed for arsenic abatement and improvement of microbiological quality.


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Table 2. Physicochemical analysis of water samples from the Camarones River (Clescerl et al, 1999)

Site 1 Site 2

Parameters Minimum - Maximum Minimum - Maximum

pH 8.1 – 8.4 8.2 – 8.5

Electric conductivity (µS cm-1)

2,232 – 2,790 1,681 – 2,210

Dissolved O2 (mg L-1) 6.9 – 7.7 6.4 – 6.8

Turbidity (NTU) 0.7 – 0.7 0.7 – 0.7

Sulfate (mg L-1) 213.7 - 235 141 – 188

Chloride (mg L-1) 609,7 – 670,8 492.8 – 553.8

Total hardness (CaCO3 mg L-1)

390.6 – 420 267.5 – 289

Iron (mg L-1) 0.06 – 0.08 0.05 – 0.07

Manganese (mg L-1) 0.03 – 0.07 0.01 – 0.04

Calcium (mg L-1) 109.6 – 131.2 72.9 – 93.4

Magnesium (mg L-1) 17.1 – 18.8 12.3 – 14.1

Copper (mg L-1) <0.01 – 0.01 <0.01 – 0.01

Arsenic (mg L-1) 1.0 – 1.2 1.1 – 1.3

Bacteriological characterization

Water from the Camarones River

(Site 1)

2,000 CFU/100 mL

Water from the Camarones River

(Site 2)

2,000 CFU/100 mL

CFU: colony-forming units.


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COMBINATION OF THE MODIFIED SORAS-ZEROVALENT IRON AND SODIS TECHNOLOGIES WITH THE SOCIOECONOMIC CONDITIONS OF THE IMPLEMENTATION REGIONS

The combination of both technologies was carried out with waters from the Camarones River at the location of the same name. Untreated waters were tested, and a content of 1,000 µg L-1 of total arsenic and 2,000 CFU/100mL of total coliforms. The results obtained after treatment with the modified SORAS – zerovalent iron technology are shown in Table 3 and Figure 2. It was observed that after one hour of treatment the content of total coliforms had not decreased, but after two hours of irradiation, their concentration was null even 24 hours after the treatment. However, total coliforms were present 48 hours after the treatment. Finally, with three hours of irradiation, no total coliforms were detected 24 and 48 hours after the treatment. As regards arsenic, after one hour of irradiation, removal rates were at 95%, reaching 100% rates after two hours. The final concentration of arsenic in solution was below 10 µg L-1, which is the value recommended as maximum limit for arsenic in water fro human consumption (Chilean National Standardization Institute, 2005; World Health Organization, 1993).

Table 3. Microbiological analysis of water samples from the Camarones River treated by the modified SORAS – zerovalent iron technology and subjected to different irradiation times

SAMPLE TOTAL COLIFORMS

24 hours 48 hours

1 hour of irradiation 2,000 CFU/100 mL -

2 hours of irradiation 0 2,000 CFU/100 mL

3 hours of irradiation 0 0




6 hours of irradiation + rest (16 hours) 0 0

CFU: colony-forming units.


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Figure 2. Arsenic removal by the modified SORAS – zerovalent iron technology. Conditions: solar radiation, 2.0 g of Fe(0) and 1 drop of lemon juice (4.54 mg L-1 of citrate)

CONCLUSIONS

It was demonstrated that the application of the SORAS technology for the decontamination of water from the Camarones River is feasible if the technology is modified and adapted to the geographic and environmental context of the region.

Due to the absence of natural iron in the waters from the Camarones River, it should be artificially added. Thus, together with the addition of citrate as lemon juice, arsenic removal rates above 99% are obtained. The SORAS technology suited to the environmental and physicochemical characteristics of the natural waters from the Camarones River was called “modified SORAS – zerovalent iron technology”.

As regards seasonal variations, the time of year that yielded the best results in the community of Camarones was summer. In the area of Illapata and Esquiña, however, the greatest removal rates were found during winter time. In each of these seasons, removal rates of more than 99% of the total content of As (V) were obtained.

The adaptation of the modified SORAS – zerovalent iron technology to the situation of the towns of Camarones, Illapata and Esquiña, and its use by inhabitants is beneficial for the community of Camarones, with the possibility of spreading these advantages to other locations with similar characteristics.

ACKNOWLEDGMENTS

To the Research Center of Man in the Desert (CIHDE) for the scholarships granted to the students. To the University of Tarapacá and the University of Concepción for their support to this research project. To the OAS for the funds granted for the development of this project. To the Municipality of Camarones for their support through their Mayor, Ms. Sonia Salgado. To school teachers from the communities involved for their constant collaboration.

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Tiempo (horas)

As

rem

anen

te (%

)

Exposición solar con Fe (0) (2,0 g) y 4,54 mg L-1 de citrato (1 gota jugo de limón)

Time (hours)

Rem

aini

ng A

s (%

)


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Remoción de arsénico de aguas naturales del río de Camarones y su utilización para consumo humano, mediante la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero



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RESUMEN

En esta última etapa del trabajo que contemplaba el proyecto OEA/AE/141, en Chile se articularon dos de las tres tecnologías mencionadas en el proyecto. Se comprobó que la aplicación de la tecnología SORAS para descontaminar las aguas del río Camarones es factible, siempre y cuando sea realizada una modificación de la tecnología para ser adaptada a la realidad geográfica - ambiental. Debido a la ausencia de hierro natural en las aguas del río Camarones, es necesario que sea reemplazado por adición externa. De esta forma, sumado a la adición de citrato en la forma de jugo de limón, se obtienen resultados de remoción para el arsénico de más del 99%.

INTRODUCCIÓN

La calidad del agua para consumo humano, a través de la historia, ha sido un indicador de calidad de vida y factor determinante para el bienestar de la humanidad. La contaminación biológica del agua de bebida, principalmente en países pobres, ha causado catástrofes que han diezmado poblaciones enteras (Hug y col., 2001). Por otro lado, aguas contaminadas químicamente por la actividad humana o por fuentes


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naturales, también han causado mucho sufrimiento a poblaciones que se ven forzadas a beberla o a usarlas en irrigación.

Entre los contaminantes químicos inorgánicos presentes en aguas subterráneas y superficiales se destaca el arsénico por su larga presencia histórica, atribuida a causas naturales como la disolución de minerales en aguas superficiales o subterráneas, o como consecuencia de actividades mineras, y hoy por ser un reconocido inductor de cáncer.

En la provincia de Arica, en medio del desierto de Atacama, norte de Chile, el arsénico es un contaminante común en los distintos sustratos (agua, suelo y vegetales). En esta región, el problema del arsénico proviene del arrastre de los minerales presentes en el suelo, desde las zonas cordilleranas, por acción de las aguas corrientes naturales. El problema de la contaminación se acentúa en las comunidades rurales de esta zona por la falta de técnicas simples y económicas para la descontaminación de las aguas. Los poblados de esta comuna rural se encuentran dispersos y aislados, no están conectados a red de agua potable alguna, y las condiciones socio-económicas son altamente desfavorables. Además las vías de acceso, transporte y comunicación, son limitadas en cantidad y calidad.

La comuna de Camarones fue seleccionada para aplicar la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero, debido a la elevada presencia de arsénico en agua natural para consumo humano, con valores del orden de 1000 µg L-1 (100 veces sobre lo admitido por la OMS). El límite máximo aceptado por la Organización Mundial de Salud (OMS) para el contenido de arsénico en agua potable es de 0,01 mg L-1, valor establecido también por la Norma Chilena 409/1. Of 2005 (Instituto Nacional de Normalización de Chile, 2005; World Health Organization, 1993).

Para superar esta limitación, se trabajó durante estos últimos cuatro años con la finalidad de adecuar la tecnología SORAS (Hug y col., 2001) y lograr la purificación de agua para el consumo humano, con insumos de bajo costo y simplificando su uso para permitir su utilización por pobladores de estas zonas rurales. Como resultado, se logró la adaptación de esta tecnología a las condiciones del valle de Camarones. Este nuevo procedimiento técnico se denominó, finalmente, SORAS Modificada - Hierro Cero.

El objetivo de la última etapa del proyecto fue articular las 3 tecnologías involucradas en la investigación (SODIS-SORAS y Fotocatálisis Heterogénea Solar) y hacerlas compatibles y pertinentes a las condiciones socioeconómicas de las regiones de aplicación de los países involucrados. En el caso de Chile se pudieron articular 2 de las 3 tecnologías, SORAS/SODIS, con excelentes resultados.


La Quebrada de Camarones se encuentra a unos 100 km al sur de la ciudad de Arica, en el norte de Chile (19°00’ S y 69°47’ O), y constituye un terreno angosto y sinuoso de 150 km de longitud, con una superficie aproximada de 4500 hectáreas surcada por el río de Camarones. Este río es el recurso hídrico más importante de la zona y la fuente principal del agua requerida históricamente para los seres vivos en la región, siendo el más importante para la actividad agrícola, ganadera y consumo humano.


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El río Camarones nace de tributarios (ríos Ajatama y Caritaya) de la cabecera altiplánica y es un curso de agua endorreico, con un caudal y escurrimiento que no siempre alcanza a desembocar en el mar. Es un sistema hídrico cuyo caudal y características fisicoquímicas varían estacionalmente. Además, existen variaciones en distintos puntos de su curso debido a la presencia de afluentes menores, principalmente, vertientes.

Los poblados elegidos para el estudio en esta quebrada fueron Esquiña, Illapata y Camarones, debido a que utilizan las aguas de este río para el uso como bebida y preparación de alimentos (Mansilla y Cornejo Ponce, 2002). El clima en estas zonas se caracteriza por condiciones con gran influencia biológica: elevada temperatura diurna y amplia amplitud térmica entre el día y la noche.

La población de Esquiña consume agua principalmente de vertientes presentes en el valle, de menor transporte de arsénico, mientras que la población de Illapata consume mayormente agua del río Camarones, con alto contenido de arsénico. En ambas localidades, la concentración de arsénico en agua de bebida sobrepasa entre 7,5 a 125 los valores recomendados por la OMS (10 µg L-1). Las especies de arsénico encontradas en los extractos acuosos de cabello humano corresponden principalmente a arsénico inorgánico (alrededor del 98%), donde la especie arsénico (III) es la principal. En el cabello se encontraron concentraciones de 0,26 µg g-1 y 3,75 µg g-1 en Esquiña e Illapata, respectivamente. En las poblaciones estudiadas, la concentración de arsénico (III) exhibió la mejor correlación con factores tales como la edad y el tiempo de residencia en los poblados (Yañez y col., 2005).

APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA SORAS Y SORAS MODIFICADA - HIERRO CERO

En el año 2002, en el marco del Proyecto OEA/AE/141, se inició el estudio de aplicabilidad de la tecnología SORAS en forma simultánea en Argentina, Chile y Perú, considerando las zonas escogidas en un estudio anterior de relevamiento de comunidades rurales (Mansilla y Cornejo Ponce, 2002). En dicho estudio, en el caso específico de Chile, se dieron a conocer los criterios de elección de los sitios y la información recopilada de estudios anteriores. En una publicación posterior, se presentó un estudio conteniendo resultados obtenidos tanto en ensayos de laboratorio como en estudio de campo (Mansilla y col., 2003). En dicho trabajo se había utilizado una lámpara de luz negra para simular la radiación solar, y se empleó un sistema estadístico basado en la metodología de superficie de respuesta para optimizar las condiciones de reacción. Finalmente, se evaluó la tecnología con agua de Camarones. Para ello, se adicionó hierro (II) como reactivo y citrato en forma de jugo de limón y se expuso a la radiación solar del mediodía de la ciudad de Concepción hasta completar 4 horas. La remoción de arsénico fue del 95% (Lara, 2003; Lara y col., 2006).

La segunda parte de este proyecto se realizó en Arica, adecuando la tecnología a las condiciones propias del lugar escogido. Se realizó un análisis fisicoquímico para determinar las propiedades de las aguas en cuestión en tres períodos del año. Se estudió la factibilidad de utilizar jugo de limón para reemplazar el citrato de sodio, y se probaron 3 tipos distintos: limón amarillo de cáscara delgada con pepa, limón amarillo grande de cáscara gruesa con pepa y limón verde cáscara delgada sin pepa (Citrus latifolia). Se determinó la concentración de citrato de sodio que aporta cada gota de los diferentes limones concluyéndose que el limón verde sin pepa presenta el menor valor,


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sin que afectara el pH del agua. Además, la ausencia de hierro en las aguas del río Camarones hizo necesario estudiar cuál era la mejor forma de adicionarlo. El propósito era encontrar un material económico y de fácil acceso para los pobladores, habiéndose evaluado diferentes utensilios domésticos (clavo, alambre, lana de acero, etc.). Se obtuvo una eficiencia de remoción de arsénico del 99,8 % usando dos gramos de lana de acero y una gota de jugo de limón para el tratamiento de un litro de agua. A esta tecnología se la denominó SORAS Modificada – Hierro Cero (Flores y col., 2003; Cornejo Ponce y col., 2004).

Luego, la investigación se centró en adaptar la tecnología SORAS Modificada – Hierro Cero para lograr, en forma simple y económica, descontaminar las aguas del río. Se realizaron ensayos en terrenos que incluyeron estudios de inclinación de los reactores, estudio de la radiación (distribución horaria de la radiación), efectos de la radiación solar (luz y oscuridad), altura y estación. Además, se verificó la relación óptima de hierro-citrato, materiales de uso común, mediante la metodología de superficie de respuesta. Se confirmó así con base estadística la relación obtenida de 2 g de lana de acero y una gota de jugo de limón por litro de agua para la remoción de arsénico por sobre el 99% utilizando aguas del río de Camarones y radiación solar del sitio en estudio. Asimismo, se concluyó que la mejor posición de los reactores es la inclinada, y que el tiempo de exposición solar óptimo mínimo es de 4 horas. En relación al tiempo estacional, la época de mejor rendimiento en la localidad de Camarones fue el verano; en cambio, en las zonas de Esquiña e Illapata, la época estacional de mayor remoción fue el invierno. En cada una de estas estaciones, se obtuvo un porcentaje mayor al 99% de remoción de arsénico (V). Esto último guarda directa relación con la claridad del cielo de cada estación del año (Lienqueo y Platero, 2005; Cornejo Ponce y col., 2006) (Tabla 1).

Tabla 1. Niveles estacionales de remoción de arsénico en poblados del valle de Camarones

Estación

Remoción As (V) en Camarones (%)

Remoción As (V) en Illapata y Esquiña (%)

Verano 99,5 98,9

Otoño 99,0 99,0

Invierno 99,0 99,9

VALIDACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS EN LABORATORIO Y EN TERRENO

Los muestreos de aguas del río de Camarones (Figura 1) se ejecutaron en dos sitios, en el poblado de Camarones (sitio 1) y entre los poblados de Esquiña e Illapata (sitio 2). Se realizaron a lo largo del año para cubrir las variaciones estacionales y se analizaron 13 parámetros fisicoquímicos, cuyos rangos se muestran en la Tabla 2. Además, se realizaron análisis microbiológicos de coliformes totales de las aguas antes y después del tratamiento SORAS Modificada - Hierro Cero.


143

Los estudios para la adaptación de la tecnología SORAS fueron realizados en laboratorio y validados en terreno (Lara, 2003; Lara y col., 2006). La tecnología SORAS Modificada – Hierro Cero fue estudiada en laboratorio y verificada con radiación solar en la ciudad de Arica y Camarones. Su posterior adaptación y puesta a punto se realizó en su totalidad con muestras reales e in situ en los poblados de Camarones y Esquiña - Ilapata (Flores y col., 2003; Lienqueo y Platero, 2005; Cornejo Ponce y col., 2006).

Figura 1. Muestreo en las aguas del río de Camarones

Caracterización fisicoquímica y microbiológica del agua

Se evaluó la calidad fisicoquímica y microbiológica de los recursos hídricos considerados en el estudio, antes y después del tratamiento de las aguas del río mediante la tecnología SORAS Modificada – Hierro Cero, con el objetivo de evaluar la eficacia de la tecnología desarrollada para el abatimiento del arsénico y del mejoramiento de la calidad microbiológica.


144

Tabla 2. Análisis fisicoquímico de las aguas del río Camarones (Clescerl y col., 1999)

Sitio 1 Sitio 2

Parámetros Mínimo - Máximo Mínimo - Máximo

pH 8,1 – 8,4 8,2 – 8,5

Conductividad eléctrica (µS cm-1)

2232 - 2790 1681 - 2210

O2 disuelto (mg L-1) 6,9 – 7,7 6,4 – 6,8

Turbiedad (UNT) 0,7 – 0,7 0,7 – 0,7

Sulfato (mg L-1) 213,7 - 235 141 – 188

Cloruro (mg L-1) 609,7 – 670,8 492,8 – 553,8

Dureza total (CaCO3 mg L-1) 390,6 – 420 267,5 – 289

Hierro (mg L-1) 0,06 – 0,08 0,05 – 0,07

Manganeso (mg L-1) 0,03 – 0,07 0,01 – 0,04

Calcio (mg L-1) 109,6 – 131,2 72,9 – 93,4

Magnesio (mg L-1) 17,1 – 18,8 12,3 – 14,1

Cobre (mg L-1) <0,01 - 0,01 <0,01 – 0,01

Arsénico (mg L-1) 1,0 – 1,2 1,1 – 1,3

Caracterización bacteriológica

Agua río Camarones

(Sitio 1)

2000 UFC/100 mL

Agua río Camarones

(Sitio 2)

2000 UFC/100 mL

UFC: unidades formadoras de colonias.


145

ARTICULACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS SORAS MODIFICADA-HIERRO CERO Y SODIS CON LAS CONDICIONES SOCIOECONÓMICAS DE LAS REGIONES DE APLICACIÓN

La articulación de las dos tecnologías fue realizada con aguas del río Camarones en el poblado del mismo nombre. Se evaluaron las aguas sin tratamiento, determinándose un contenido de 1000 µg L-1 de arsénico total y 2000 UFC/100mL de coliformes totales. Los resultados obtenidos después del tratamiento con la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero se muestran en la Tabla 3 y Figura 2. Se observa que luego de una hora de tratamiento no había disminuido el contenido de coliformes totales, pero luego de dos horas de irradiación ya no se observaba su presencia a las 24 horas del tratamiento, pero en cambio sí se observaba a las 48 horas. Finalmente, con tres horas de tratamiento, no se observó la presencia de coliformes totales ni a las 24 ni a las 48 horas. Con relación al tratamiento de arsénico, luego de una hora de irradiación se obtuvo un 95% de remoción, alcanzándose el 100% después de dos horas. La concentración de arsénico en solución obtenida fue menor a 10 µg L-1, valor recomendado como límite máximo en agua para consumo humano (Instituto Nacional de Normalización de Chile, 2005; World Health Organization, 1993).

Tabla 3. Análisis microbiológico de las aguas del río Camarones tratadas mediante la tecnología

SORAS Modificada-Hierro Cero y sometidas a distintos tiempos de irradiación

MUESTRA COLIFORMES TOTALES

24 horas 48 horas

1 hora de irradiación 2000 UFC/100 mL -

2 horas de irradiación 0 2000 UFC/100 mL

3 horas de irradiación 0 0




6 horas de irradiación + reposo (16 horas) 0 0

UFC: unidades formadoras de colonias.


146

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Tiempo (horas)

As

rem

anen

te (%

)

Exposición solar con Fe (0) (2,0 g) y 4,54 mg L-1 de citrato (1 gota jugo de limón)

Figura 2. Remoción de arsénico mediante la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero. Condiciones: radiación solar, 2,0 g Fe(0) y 1 gota de jugo de limón (4,54 mg L-1 de citrato)

CONCLUSIONES

Se comprobó que la aplicación de la tecnología SORAS para descontaminar las aguas del río Camarones es factible, siempre y cuando sea realizada una modificación de la tecnología para ser adaptada a la realidad geográfica - ambiental.

Debido a la ausencia de hierro natural en las aguas del río Camarones, es necesaria su adición externa. De esta forma, con la adición de citrato en la forma de jugo de limón, se obtienen resultados de remoción para el arsénico de más del 99%. La tecnología SORAS acondicionada a las características ambientales y fisicoquímicas de las aguas naturales del río Camarones se denominó “Tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero”.

En relación al tiempo estacional, la época de mejor rendimiento en la localidad de Camarones fue el verano. En cambio, en las zonas de Illapata y Esquiña, la época estacional de mayor remoción fue la de invierno. En cada una de estas estaciones se obtuvo un porcentaje mayor al 99% de remoción de As (V).

La adaptación de la tecnología SORAS Modificada – Hierro cero a la realidad de los poblados de Camarones, Illapata y Esquiña y su puesta en uso por sus habitantes trae beneficio a los habitantes de la comuna de Camarones, existiendo la posibilidad de extender estas ventajas a otros lugares de similares características.


147

AGRADECIMIENTOS

Al Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto (CIDHE) por las becas concedidas a los estudiantes. A la Universidad de Tarapacá y a la Universidad de Concepción por el apoyo brindado a esta investigación. A la OEA por el financiamiento brindado para la realización de este proyecto. Al apoyo de la Municipalidad de Camarones a través de su alcaldesa Sra. Sonia Salgado. A los Profesores de las Escuelas de los poblados por su constante colaboración.

BIBLIOGRAFÍA

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World Health Organization (WHO) (1993): Guidelines for drinking water quality, Vol. 1, Recommendations.

ST. Hug, M. Wegelin, D. Gechter, L. Canonica, Urs von Gunten (2001): Solar oxidation and removal of arsenic at circumneutral pH in iron containing waters. Environmental Science & Technology, No. 10, Vol. 35: 2114-2121.

H.D. Mansilla y L. Cornejo Ponce (2002): Chile. En: M. Litter, R. Guettar (ed.): Prospects of rural Latin America communities for application of low-cost technologies for water potabilization. OAS Project AE141/2001. Digital Grafic, La Plata, pp. 53-58.

J. Yañez, V. Fierro, H. Mansilla, L. Cornejo, L. Figueroa y R. Barnes (2005): Arsenic speciation in human hair: a new perspective for epidemiological assessment in chronic arsenicism. J. Environ. Monitor., 7: 13235-1341.

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F. Lara (2003): Remoción de arsénico en aguas mediante fotólisis. Tesis para optar al título profesional y grado académico de Químico Marino mención Manejo Ambiental, Licenciado en Química, 2003.

F. Lara, L. Cornejo, J. Yañez, J. Freer y H. Mansilla (2006): Solar-light assisted removal of arsenic from natural water: effect of iron and citrate concentrations. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 81:1282–1287.

M. Flores, J. Arenas y V. Flores (2003): Tratamiento para remover arsénico de aguas del Valle de Camarones para el consumo humano. Tesis de grado para optar al título profesional y grado académico de Químico Laboratorista, Licenciado en Química, Universidad de Tarapacá, 2003.

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L. Cornejo, H. Lienqueo, M. Arenas, J. Acarapi, H. Mansilla, J. Yañez: In field arsenic


148

removal from natural water by zero valent iron. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Enviado 2006.

L. Clescerl, A. Greenberg, A. Eaton (1999): Standard methods for the examination of water & wastewater. 20th edition, American Public Health Association, Washington DC.


159

6

Transferencia de la metodología SORAS Modificada – Hierro Cero a los poblados que carecen de agua potable de la Comuna de Camarones, Arica, Chile



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RESUMEN

En la última etapa del trabajo del proyecto OEA/AE/141, en Chile se realizaron ensayos de campo con la población, coordinación con las autoridades locales y municipales. Se elaboraron encuestas y redacción de afiches, dípticos y calendario conteniendo información sobre la aplicación de tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas. Se logró coordinar la transferencia de información sobre la remoción de arsénico mediante campañas y charlas para los pobladores y preparación de monitores.

INFORMACIÓN SOCIOECONÓMICA

La aplicación de la Tecnología SORAS Modificada en las regiones del río Camarones, Arica, se realizó en colaboración con pobladores, autoridades y profesores. La localización de la zona ha sido descripta en el Capítulo anterior.

La Ilustre Municipalidad de Camarones se ha visto obligada a transportar agua potable en camiones aljibes por casi 25 años, acción que implica una inversión pública


160

para resguardo de la salud. En el poblado de Camarones, la provisión del agua proviene de distintas fuentes, como por ejemplo, el transporte de agua potabilizada desde la ciudad de Arica una vez cada 15 días. Sin embargo, existe un aprovisionamiento del agua del río Camarones sin tratamiento alguno. El acceso a las aguas del río suele ser relativamente frecuente, dada la actividad agropecuaria como principal medio de vida rural y las características profundamente accidentadas de la zona geográfica.

En la Tabla 1, se aprecia la información socioeconómica de los pobladores de la localidad de Camarones, que permite apreciar la magnitud del caso:

Tabla 1. Información socioeconómica de los pobladores de la localidad de Camarones.

ANTECEDENTES Valor

Superficie (km2) 3.927

Población

Número de habitantes 1.220

Porcentaje etnias en población comunal 70,9

Porcentaje de la población regional 0,3

Índice de masculinidad1 156

Grado de ruralidad2 100

Pobreza e indigencia

Incidencia de la pobreza3 10,6

Incidencia de la indigencia4 3,5

Situación educacional

Tasa de analfabetismo 9

Promedio de escolaridad 8,3

Condiciones habitacionales

Porcentaje de hogares con hacinamiento5 5,2

Porcentaje de hogares con déficit de saneamiento6 94,2

Porcentaje de hogares con déficit de materialidad7 25,7


161

1Número de hombres por cada cien mujeres en una población determinada. 2Porcentaje de la población que reside en áreas rurales respecto de la población total. 3Es el porcentaje de individuos cuyos ingresos son inferiores a la línea de pobreza establecida

como estándar, es decir, que pertenecen a hogares cuyos ingresos no son suficientes para satisfacer las necesidades básicas de sus miembros.

4Es el porcentaje de individuos cuyos ingresos son inferiores a la línea de indigencia establecida como estándar; es decir, que pertenecen a hogares cuyos ingresos no son suficientes para costear una canasta básica de alimentos a sus miembros.

5Razón entre la cantidad de piezas habitables en el hogar y el número de personas mayor a tres.

6Se accede al agua a través de río, vertiente u otra, con llave en el sitio o vivienda, o por acarreo.

7Los muros de la vivienda son de desecho o de cualquier material en mal estado de conservación.

En uno de los trabajos realizados durante esta investigación, se entrevistó y encuestó a 43 personas, niños, adultos y adultos mayores. La Tabla 2 muestra la composición de la población encuestada. Entre ellos, la gran mayoría eran estudiantes, agricultores y dueñas de casas. Los resultados de las encuestas mostraron que la mayoría de las personas no consumen drogas, ni tabaco, y en su alimentación no están considerados ni el pescado ni otros productos del mar; además, no consumen café. Son personas que están muy expuestas al sol, existiendo una marcada diferencia entre los pobladores de Illapata y Esquiña en la concentración de arsénico en cabello, orina y uña (Figura 1 y Tabla 3).

Tabla 2. Composición de la población encuestada

Nº total de habitantes

Nº de muestra

Nº mujeres

Nº hombres

Nº niños (2-12 años)

Esquiña 50 22 6 5 11

Illapata 60 21 5 8 8


162

Figura 1. Niveles de concentración de arsénico en orina, cabello y uñas de pobladores de Illapata y Esquiña

Tabla 3. Concentración de arsénico en orina, cabello y uñas de pobladores de Illapata y Esquiña

Illapata Esquiña Valores normales o recomendados

As orina (µg L-1) 1,1 0,2 0,06

As cabello (µg g-1) 3,8 0,3 0,5

As uña (µg g-1) 11,2 3,2 0,2

As agua (mg L-1) 1,09 0,05 0,01

ENCUESTAS

Con el propósito de evaluar las condiciones socioeconómicas de los pobladores del sector, sus orígenes, los modos y medios de utilizar los recursos hídricos, los tipos de enfermedades más comunes, la toma de conciencia del problema arsenical con sus consecuentes secuelas en el factor de salud personal y la disposición a usar nuevas tecnologías con el propósito de remover el contaminante natural, se realizaron un conjunto de encuestas que servirán para configurar el catastro de estas variables y que permitirán el logro final de los objetivos del proyecto. A continuación se indican las encuestas realizadas.

INFORMACIONES GENERALES

Municipalidad: Localidad:

Fecha: Hora: Nº Cuestionario.

Domicilio:

Entrevistador:

A. CUESTIONARIO DOMICILIAR

1. CARACTERIZACIÓN DEL ENTREVISTADO Y DEMAS HABITANTES

Nombre:____________________________________________ Sexo: 1. M 2. F

(jefe de familia)

Escolaridad:

1. Universitaria completa 5. Enseñanza básica completa

2. Universitaria incompleta 6. Enseñanza básica incompleta

3. Enseñanza media o Tecnica 7. Analfabeto

4. Enseñanza media incompleta

1.1 ¿Desde cuando vive en esta localidad? ________/________

1.2 ¿Siempre vivió en esta casa? 1. Sí 2. No ( sí Sí, va para 1.5)

1.3 ¿De donde vino?

1. Otra casa en la misma localidad

2. Otra casa en el mismo municipio

3. Otra ciudad/ región ¿Cuál?_____________________________________

1.4 ¿Vivía en condiciones mejores o peores qué las actuales?

1. Peores 2. Mejores 3. iguales


164

2. DESCRIPCIÓN DE LA COCINA

2.1 ¿Posee cocina? 1. Sí 2. No

2.2 la cocina posee:

1. Lavabo con agua continua 5. Refrigerador

2. Lavado sin agua continua 6. Filtro de agua

3. Fuego a gas

4. fuego a leña

2.3 localización 1. Afuera de la casa 2. dentro de la casa

2.4 Periodicidad de limpieza / mantenimiento de la cocina

1. Diaria 2. Semanal 3. Mensual 4. Otra 5. No sabe


165

3.5 ¿El agua llega en cantidad suficiente a su casa?

1. Sí 2. No 3. No sabe

3.6 ¿Falta agua en su casa?

1. Sí 2. No 3. No sabe

3.7 ¿Cuándo suele faltar el agua?

1. Frecuentemente (semanalmente) 4. Estaciones del año

2. Esporádicamente (Mensualmente) 5. Nunca

3. ABASTECIMIENTO DE AGUA

3.1 Fuente de abastecimiento predominante en la casa:

1. Pozo profundo 4. Agua Potable

2. Vertiente 5. Agua Envasada

3. Río 6. Camión Aljibe

7. Otra________________________________

3.2 Forma predominante de almacenamiento

1. Recipiente abierto 2. Tanque 3. Tambor de PVC cerrado

4. Otro_________________________________

3.3 ¿Cuántos litros de agua (en Total) son consumidos al día por persona?

_______________________ X no sabe

3.4 ¿Cuántos litros de agua para beber son consumidos al día por persona?

_________________________________________ X no sabe


166

3. Raramente (pocas veces en el año) 6. No sabe

3.8 ¿Almacenan agua para periodos de escasez?

1. Sí 2. No

3.9 Qué agua consume para:

1. Cocinar______________________________________________________

2. Higiene personal______________________________________________

3. Beber_______________________________________________________

3.11 ¿Qué características tiene el agua que consume?

1. Normal 2. Olor 3. Color 4.Sabor 5. Turbidez

6. Otra________________

3.12 ¿Qué tipo de tratamiento tiene el agua que consume?

1. Cloración 2. Hervir el agua 3. Filtros

4. No sabe 5. Sin tratar 6. Otro_________________

3.13 Si hierve el agua, ¿qué utiliza como combustible?

1. Gas 2. Leña 3. Carbón 4. Otro_________________

3.14 Si filtran el agua, ¿qué filtros usan?

1. Paño 2. Filtro de barro

3. Filtro de carbón/ arena 4. Otro_______________________________

3.15 ¿Tiene estanque?

1. Sí 2. No

3.16 Origen del tanque

1. Construido por el morador 2. Proyecto social


167

3. No sabe 4. Otro__________________

3.17 ¿Utiliza otra forma de abastecimiento además del Estanque?

1. Sí 2. No

¿Cuál/Cuales?______________________________________________________

¿Por qué?_________________________________________________________

3.18 ¿Realiza limpieza / mantenimiento del tanque?

1. Sí 2. No

¿Cuál?____________________________________________________________

¿Cómo?___________________________________________________________

3.19 Periodicidad de la limpieza del estanque

1. Diaria 2. Semanalmente 3. Mensual 4. Semestral

5. Anual 6. Otra 7. No sabe

Nº Cuestionario

Localidad: _____________________________________________

Entrevistador: ______________________________________________ Fecha:_____/_____/_____

1.- DATOS PERSONALES

Nombre / Apellido:________________________________________________________

Edad:_____________________

Sexo:_____________________

Peso:_____________________

Talla:_____________________

Dirección:_________________

2.- HÁBITOS DE ALIMENTACIÓN

¿Cuántas veces a la semana consume carnes rojas? ____________________


168

¿Cuántas veces a la semana consume pollo? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume pescados? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume legumbres? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume huevos? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume lácteos? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume frutas? ____________________

¿Cuántas veces a la semana consume verduras? ____________________

3.- SALUD

3.1. ¿A Ud. o algún familiar se ha realizado algún tipo de examen, para determinar niveles de arsénico en el organismo?

No ________

Sí ________ Fecha ___________ Cantidad encontrada ____________

3.2. ¿Ud. está tomando algún medicamento actualmente?

No_______

Sí________ Nombre del Medicamento __________________________________

3.3. Señale si Ud. sufre en forma periódica de síntomas como:

Verrugas __________

Despigmentación a gotas __________

Estrías blancas en las uñas (líneas de Mees) __________

Aumento de peristaltismo __________

Heces sanguinolentas __________

Perforación del tabique nasal __________

Efectos nicotínicos __________

Lesión del tracto respiratorio __________


169

Necrosis __________

Perdida de la audición __________

Electroencefalograma alterado __________

Somnolencia __________

Fiebre __________

Convulsiones __________

Debilidad muscular en extremidades __________

Atrofia muscular __________

Enrojecimiento de la conjuntiva __________

Manchas oscuras de la piel __________

Hiperpigmentación de la piel __________

Manchas nodulares palpables en pies y manos __________

Hinchazón de pies o piernas __________

Disminución del ácido fólico __________

Desorden de hígado o riñón __________

Perdida del cabello __________

Depresión __________

Extenuación __________

Anorexia __________

Deterioro progresivo de la respuesta sensorial y motora __________

Diarreas __________

Vómitos __________

Dolor abdominal __________

Problemas de reabsorción renal __________

Parálisis __________


170

3.4. Ud. ha sido diagnosticado por un médico de:

Sí No

Alergias _________ _________

Antecedentes de intoxicación alcohólica _________ _________

Bronquitis, sinusitis _________ _________

Cáncer de piel _________ _________

Cáncer de hígado _________ _________

Enfermedad de Pie Negro (excoriaciones oscuras de los pies) _________ _________

Cáncer al pulmón _________ _________

Cáncer al riñón _________ _________

Hiperqueratosis palmo-plantar _________ _________

Cirrosis _________ _________

Derrame o trombosis cerebral _________ _________

Desnutrición _________ _________

Diabetes _________ _________

Enfermedades neurológicas _________ _________

Enfermedades mentales _________ _________

Epilepsias _________ _________

Hepatitis _________ _________

Hígado grande _________ _________

Leucemia _________ _________

Pérdida de la visión _________ _________

Pérdida auditiva _________ _________

Presión alta _________ _________

Anorexia _________ _________


171

Gangrena _________ _________

Úlcera de estómago _________ _________

3.5. ¿Ha tenido Ud. un aborto espontáneo?

No _______

Sí ________ Fecha ________________

4.- NUEVAS TECNOLOGÍAS

4.1. ¿Pondría en practica una nueva tecnología para eliminar el arsénico del agua?

Sí __________ No _________

4.2. ¿Conoce o ha oído hablar de la tecnología SORAS?

Sí __________ No _________

4.3. Si es así, ¿Ha realizado alguna vez la tecnología SORAS?

Sí __________ No _________

4.4. ¿Aún la sigue aplicando?

Sí __________ No _________

4.5. Si no la conoce, ¿Le gustaría conocer la tecnología SORAS?

Sí __________ No _________

Observaciones:__________________________________________________________

Nº Cuestionario

Localidad:________________________________________________

Entrevistador:______________________________________ Fecha:_____/______/_______

1.- Nombre del jefe de familia:_____________________________________________________

2.- ¿Cuántas personas viven en su hogar?

3.- ¿Esta usando regularmente la tecnología SORAS?


172

Sí ________ No:________

Si contesta No. ¿por qué no la está usando? ______________________________

4.- ¿Cuántas botellas están usando al día? ___________________________________________

Calidad de las botellas: ___________ Nuevas __________ Estampadas

__________ Lisas __________ Transparente

__________ Coloridas

Capacidad de las botellas

__________ 1/2 Litro __________ 1 Litro __________ 2 Litro

__________ 2,5 Litro __________ Mayor a 3 Litros

5.- ¿A qué hora expone al sol las botellas? _________________________________

6.- ¿A qué hora retira las botellas del sol? _________________________________

7.- ¿En qué posición deja las botellas?

__________ Horizontal __________ Inclinada __________ Vertical

8.- ¿Tiene alguna dificultad para conseguir las botellas?

___________ No __________ Sí

9.- ¿Cómo consigue las botellas?

PASOS UTILIZADOS PARA EXPLICAR A LOS POBLADORES LA APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA SORAS MODIFICADA - HIERRO CERO

En base a la información preliminar recolectada a través de las encuestas, se procedió en primer término a la realización de diversos talleres de educación y capacitación a los pobladores, como se muestra en las Figuras 2 a 4. Los pobladores se mostraron muy receptivos a cualquier información entregada, evidenciando una clara conciencia y dimensionando el problema ambiental presente en su entorno natural; igualmente manifestaron una real preocupación en el tema cada vez que se realizó una reunión. Se confeccionaron afiches, como herramienta de apoyo, para informar a la población sobre la temática.

Figura 2. Reunión informativa y capacitación de pobladores de Camarones

Figura 3. Reunión informativa y capacitación de pobladores de Illapata

Figura 4. Reunión informativa y capacitación de pobladores de Esquiña


174

Posteriormente, se capacitó a los pobladores en el manejo de la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero a través de acciones prácticas de campo con apoyo de afiches, dípticos explicativos, que se repartieron en las localidades sujetas a estudio, conformando con ello el apoyo científico necesario para que hoy y en el futuro las comunidades solucionen esta problemática.

Además, con el propósito de evaluar si los pobladores utilizan y en qué condiciones la metodología de remoción de arsénico, se incluyó en las encuestas preguntas sobre si los beneficiarios manejan la tecnología SORAS de manera frecuente o esporádica, si el protocolo seguido por los pobladores y los materiales usados está en condiciones adecuadas para una buena eficiencia de remoción y si existe la dificultad de acceder de manera fácil a los recursos materiales necesarios. Los resultados obtenidos hasta el momento muestran una gran participación de los habitantes de los distintos poblados en la aplicación de esta innovadora y económica tecnología que, consecuentemente, se traduce en la obtención de agua de consumo humano domiciliario de una calidad muy superior a la observada y evaluada en la etapa previa al estudio.

Esta última situación permite proyectar que se sostiene el logro del objetivo en este proyecto, siendo uno de los grandes propósitos finales conseguir una aplicación permanente de la tecnología en los diversos hogares de los poblados afectados por el problema arsenical, que se traduciría en un gran mejoramiento en la salud y calidad de vida, sin dejar de lado el monitoreo constante y periódico de los recursos hídricos.

Cabe señalar que para ayudar en la difusión del material informativo de la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero se contactó, además, con jóvenes profesionales voluntarios del programa Chileno “Servicio País” (www.serviciopais.cl), que se encuentran trabajando en forma permanente en los poblados de Illapata, Esquiña y Camarones. Además, estos jóvenes están ayudando con las encuestas, proceso no concluido que impide completar, en este aspecto, la información del presente informe. Esta última situación conduce a seguir trabajando hasta completar esta importante etapa del proyecto.

Las Figuras 5 a 7 muestran el material informativo distribuido a la población.

Figura 5. Calendario, año 2007, mostrando la tecnología SORAS Modificada – Hierro Cero


175

Figura 6. Afiche informativo detallando la aplicación de la tecnología SORAS Modificada - Hierro Cero


176

Figura 7. Díptico entregado a los pobladores sobre los pasos a seguir para la correcta aplicación de la tecnología SORAS Modificada-Hierro cero

Por otra parte, se realizó una conferencia para las autoridades regionales de la ciudad de Arica y empresarios, denominada “Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina. Camarones – Chile: un caso de estudio” con el propósito de dar a conocer los resultados locales obtenidos con el proyecto OEA/AE/141, que fue anunciado en la prensa local (Figura 8). La actividad se realizó en el Hotel El Paso, el jueves 16 de noviembre de 2006 a las 13:00 horas, contando con el auspicio de la Corporación Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico del Hombre en el Desierto (CODECITE). Esta corporación tiene como objetivo fundamental la formación de un núcleo regional permanente de investigación científica y tecnológica de alto nivel, dedicados al estudio de la relación hombre – ambiente y a la generación de conocimientos que contribuyan al desarrollo de la macrorregión desértica en general y de la región de Tarapacá en particular. Esta actividad permitió establecer lazos con estamentos públicos y privados, condición muy importante para contar con eventuales apoyos financieros que permitan la continuidad de los objetivos contemplados en el proyecto.


177

Figura 8. Artículo aparecido en el periódico local de Arica en noviembre de 2006

Finalmente, existiendo la posibilidad de extender estas ventajas y beneficios a otras comunidades rurales de similares características se continuará trabajando con los


178

pobladores, especialmente, profesores y alumnos ya que son ellos los que deben prepararse para lograr un mayor impacto sobre los grupos familiares residentes en estas zonas rurales. Como así mismo, continuar con la tarea sistemática de informar y concientizar a las autoridades sobre las ventajas de la tecnología que es objeto de estudio y de los beneficios que se proyecta a las comunidades rurales.

AGRADECIMIENTOS

Al Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto (CIDHE) por las becas concedidas a los alumnos tesistas. A la Universidad de Tarapacá y Universidad de Concepción por el apoyo brindado a esta investigación. A la OEA por el financiamiento brindado para la realización de este proyecto. Al apoyo de la Municipalidad de Camarones a través de su alcaldesa Sra. Sonia Salgado. A los Profesores de las Escuelas de los poblados por su constante colaboración.


179

6

Transference of the modified SORAS – zerovalent iron methodology to communities that lack drinking water in the Commune of Camarones, Arica, Chile

Lorena Cornejo, Hugo Lienqueo, María Arenas, Jorge Acarapi, Héctor Mansilla and Jorge Yañez


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SUMMARY

In this last stage of the Project OAS/AE/141, field tests were carried out in Chile working with the population and in coordination with local and municipal authorities. Surveys were prepared and posters, brochures and calendars were produced with information about the application of low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters. The transference of information about arsenic removal was coordinated by means of campaigns and talks for inhabitants and the preparation of monitors.

SOCIOECONOMIC INFORMATION

The application of the modified SORAS technology in the regions of the Camarones River in Arica was carried out in collaboration with inhabitants, authorities and teachers. A description of the location of the area can be found in the previous Chapter.

Camarones County has been transporting drinkable water in cistern trucks for 25 years. Such action implies a government investment in order to protect the health of the


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population. In the town of Camarones, water supply comes from different sources, for example, transportation of purified water from the city of Arica every fortnight. However, there is a provisioning storage with water from the Camarones River that receives no treatment at all. Access to river waters is relatively frequent, given the importance of agricultural activities and the highly uneven geographic characteristics.

Table 1 shows the socioeconomic information of the inhabitants of the community of Camarones, giving an idea of the extent of the situation:

Table 1. Socioeconomic information of the inhabitants of the community of Camarones

BACKGROUND Value

Surface (km2) 3.927

Population

Number of inhabitants 1.220

Percentage of ethnic groups among community inhabitants 70,9

Percentage of regional population 0,3

Male index1 156

Rural level2 100

Poverty and extreme poverty

Incidence of poverty3 10,6

Incidence of extreme poverty4 3,5

Education

Illiteracy rate 9

Literacy average 8,3

Housing conditions

Percentage of overcrowded homes5 5,2

Percentage of homes with lacking sanitation conditions6 94,2

Percentage of homes with lacking materials conditions6 25,7 1Number of men for every hundred women in a given population.


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2Percentage of the population living in rural areas as compared with the total population. 3Percentage of individuals whose incomes are below the poverty line established as the

standard, that is, who belong to homes whose income is not enough to satisfy the basic needs of their members.

4Percentage of individuals whose incomes are below the extreme poverty line established as the standard, that is, who belong to homes whose income is not enough to afford the basic food basket for their members.

5Ratio between the number of inhabitable rooms in the house and the number of people older than 3.

6Access to water through a river, spring or other source with a faucet at the site or dwelling, or by transportation.

7The walls of the house are made of discarded materials or of any material not well preserved.

One of the activities carried out during this research included surveying 43 people (children, adults and seniors). Table 2 shows the composition of the surveyed population. Most of them were students, farmers and housewives. The results of the surveys indicate that most people do not use drugs or tobacco, and that they do not include fish or other sea products in their diet. The do not consume coffee, either. These people are exposed to the sun for long hours, and there is a marked difference between the inhabitants of Illapata and Esquiña as regards the concentration of arsenic in hair, urine and nails (Figure 1 and Table 3).

Table 2. Composition of the surveyed population

Total No. of inhabitants Sample No. No. of women No. of men No. of children (2-12 y/o)

Esquiña 50 22 6 5 11

Illapata 60 21 5 8 8


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Figure 1. Arsenic concentration levels in urine, hair and nails in inhabitants of Illapata and Esquiña

Table 3. Arsenic concentration in urine, hair and nails in inhabitants of Illapata and Esquiña

Illapata Esquiña Normal or recommended values

As urine (µg L-1) 1,1 0,2 0,06

As hair (µg g-1) 3,8 0,3 0,5

As nail (µg g-1) 11,2 3,2 0,2

As water (mg L-1) 1,09 0,05 0,01

SURVEYS

In order to assess the socioeconomic conditions of the inhabitants of the area, as well as their origin, ways and means of using hydric resources, the most common types of diseases, their awareness about the arsenical problem and its consequences on their health, and their willingness to use new technologies to remove this natural contaminant, a series of questionnaires were asked to help put together a record of these variables in order to achieve the final goal of the project. The following tables show the questionnaires asked.

Normal values

nails

hair

urine

GENERAL INFORMATION

Municipality: Town:

Date: Time: Questionnaire No.

Address:

Surveyor:

A. HOME QUESTIONNAIRE

1. CHARACTERIZATION OF THE INTERVIEWEE AND THE OTHER INHABITANTS

Name:____________________________________________ Sex: 1. M 2. F

(family head)

Literacy:

1. Complete University 5. Complete Basic Education

2. Incomplete University 6. Incomplete Basic Education

3. Middle or Technical School 7. Illiterate

4. Incomplete Middle School

1.1 How long have you lived in this town? ________/________

1.2 Have you always lived in this house? 1. Yes 2. No ( if Yes, go to 1.5)

1.3 Where did you come from?

1. Other house in the same town

2. Other house in the same municipality

3. Other city/ region. Which?_____________________________________

1.4 Did your living conditions were better or worse than now?


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1. Worse 2. Better 3. Same

2. KITCHEN DESCRIPTION

2.1 Do you have a kitchen? 1. Yes 2. No

2.2 The kitchen has:

1. Sink with running water 5. Refrigerator

2. Sink with no running water 6. Water filter

3. Gas fire

4. Wood fire

2.3 Location 1. Outside the house 2. Inside the house

2.4 Cleaning frequency / maintenance of the kitchen

1. Daily 2. Weekly 3. Monthly 4. Other 5. Doesn’t know


185

3.5 Is the supply of water enough in the house?

1. Yes 2. No 3. Doesn’t know

3.6 Is there a lack of water in your house?

1. Yes 2. No 3. Doesn’t know

3.7 When is there water shortage?

1. Frequently (weekly) 4. Seasons of the year

3. WATER SUPPLY

3.1 Main supply source in the house:

1. Deep well 4. Running water

2. Spring 5. Bottled water

3. River 6. Cistern truck

7. Other________________________________

3.2 Main storage method

1. Open recipient 2. Tank 3. Closed PVC tank

4. Other_________________________________

3.3 How many liters of water (in total) consumes each person per day?

_______________________ X doesn’t know

3.4 How many liters of drinking water consumes each person per day?

_________________________________________ X doesn’t know


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2. Occasionally (monthly) 5. Never

3. Rarely (a few times a year) 6. Doesn’t know

3.8 Do you store water for period of shortage?

1. Yes 2. No

3.9 What type of water do you use for:

1. Cooking______________________________________________________

2. Personal hygiene______________________________________________

3. Drinking_______________________________________________________

3.11 What are the characteristics of the water you consume?

1. Normal 2. Smell 3. Color 4.Taste 5. Turbidity

6. Other________________

3.12 What type of treatment receives the water you consume?

1. Chlorination 2. Boiling 3. Filtering

4. Doesn’t know 5. Untreated 6. Other_________________

3.13 If you boil water, what do you use as fuel?

1. Gas 2. Wood 3. Coal 4. Other_________________

3.14 If you filter water, what type of filters do you use?

1. Cloth 2. Mud filter

3. Activated carbon filter / sand 4. Other_______________________________

3.15 Do you have a tank?


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1. Yes 2. No

3.16 Origin of the tank

1. Built by the dweller 2. Social project

3. Doesn’t know 4. Other__________________

3.17 Do you use any other supply source other than the tank?

1. Yes 2. No

Which?______________________________________________________

Why?_________________________________________________________

3.18 Do you clean/maintain the tank?

1. Yes 2. No

Which?____________________________________________________________

How?___________________________________________________________

3.19 Frequency with which you clean the tank

1. Daily 2. Weekly 3. Monthly 4. Every six months

5. Every year 6. Other 7. Doesn’t know

Questionnaire No.

Town: _____________________________________________

Surveyor: ______________________________________________ Date:_____/_____/_____

1.- PERSONAL DATA

Name / Last name:________________________________________________________

Age:_____________________

Sex:_____________________

Weight:_____________________


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Size:_____________________

Address:_________________

2.- FEEDING HABITS

How many times a week do you eat red meats? ____________________

How many times a week do you eat chicken? ____________________

How many times a week do you eat fish? ____________________

How many times a week do you eat legumes? ____________________

How many times a week do you eat eggs? ____________________

How many times a week do you eat dairy products? ____________________

How many times a week do you eat fruits? ____________________

How many times a week do you eat vegetables? ____________________

3.- HEALTH

3.1. Have you or any family member ever been tested to determine arsenic levels in your organism?

No ________

Yes ________ Date ___________ Amount found ____________

3.2. Are you currently taking any medications?

No_______

Yes________ Name of the medication __________________________________

3.3. Indicate if you periodically suffer symptoms such as:

Warts, verrucas __________

Depigmentation __________

White striation in nails (Mees’ lines) __________

Increase in peristalsis __________


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Blood in feces __________

Perforation of the nasal septum __________

Nicotinic effects __________

Injuries to the respiratory tract __________

Necrosis __________

Hearing loss __________

Altered electroencephalogram __________

Drowsiness __________

Fever __________

Convulsions __________

Muscular weakness in the extremities __________

Muscular atrophy __________

Reddening of the conjunctiva __________

Dark spots on the skin __________

Hyperpigmentation of the skin __________

Palpable nodular spots in feet and hands __________

Swelling of feet and legs __________

Decreased folic acid __________

Liver or kidney disorder __________

Hair loss __________

Depression __________

Exhaustion __________

Anorexia __________

Progressive deterioration of sensory and motor response __________

Diarrheas __________

Vomits __________


190

Abdominal pain __________

Renal re-absorption problems __________

Paralysis __________

3.4. Have you ever been diagnosed by a doctor with:

Yes No

Allergies _________ _________

Alcoholic intoxication history _________ _________

Bronchitis, sinusitis _________ _________

Skin cancer _________ _________

Liver cancer _________ _________

Blackfoot disease (dark excoriations on the feet) _________ _________

Lung cancer _________ _________

Kidney cancer _________ _________

Palmoplantar hyperkeratosis _________ _________

Cirrhosis _________ _________

Stroke or cerebral hemorrhage _________ _________

Malnutrition _________ _________

Diabetes _________ _________

Neurological diseases _________ _________

Mental illnesses _________ _________

Epilepsy _________ _________

Hepatitis _________ _________

Large liver (hepatomnegaly) _________ _________

Leukemia _________ _________


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Loss of sight _________ _________

Hearing loss _________ _________

High pressure _________ _________

Anorexia _________ _________

Gangrene _________ _________

Stomach ulcer _________ _________

3.5. Have you ever had a miscarriage?

No _______

Yes ________ Date ________________

4.- NEW TECHNOLOGIES

4.1. Would you put a new technology into practice to remove arsenic from water?

Yes __________ No _________

4.2. Do you know or have you ever heard about the SORAS technology?

Yes __________ No _________

4.3. If you have, have you ever used the SORAS technology?

Yes __________ No _________

4.4. Are you still using it?

Yes __________ No _________

4.5. If you don’t know it, would you be interested in knowing about it?

Yes __________ No _________

Observations:__________________________________________________________

Questionnaire No.

Town:________________________________________________


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Interviewer:______________________________________ Date:_____/______/_______

1.- Name of the family head:_____________________________________________________

2.- How many people live in your house?

3.- Do you regularly use the SORAS technology?

Yes ________ No:________

If no, why not? ______________________________

4.- How many bottles do you use per day? ___________________________________________

Quality of the bottles: ___________ New __________ Stamped

__________ Smooth __________ Transparent

__________ Colored

Capacity of the bottles:

__________ 1/2 liter __________ 1 liter __________ 2 liters

__________ 2.5 liters __________ More than 3 liters

5.- At what time do you expose the bottles to sunlight? _________________________________

6.- At what time do you remove the bottles from sunlight? _________________________________

7.- How do you position the bottles?

__________ Horizontally __________ Leaning __________ Vertically

8.- Do you have any difficulty to get bottles?

___________ No __________ Yes

9.- How do you get the bottles?

STEPS USED TO EXPLAIN THE APPLICATION OF THE MODIFIED SORAS – ZEROVALENT IRON TECHNOLOGY TO INHABITANTS

Based on the preliminary information gathered with the surveys, several informative and training workshops were carried out as a first step to inform the population, as seen in Figures 2 to 4. The inhabitants were very receptive to all the information provided to them, showing a clear awareness of the dimensions of the environmental problem affecting their natural surroundings. They also expressed a real concern about this issue every time a meeting was held. Posters were produced as a support tool to inform the population about this issue.

Figure 2. Informative and training meeting with inhabitants of Camarones

Figure 3. Informative and training meeting with inhabitants of Illapta

Figure 4. Informative and training meeting with inhabitants of Esquiña


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Later on, inhabitants were trained in the use of the modified SORAS – zerovalent iron technology by means of practical activities in the field with the support of posters and explanatory brochures that were distributed in the communities where the studies were carried out. All these actions were aimed at building the bases and providing the necessary scientific support for the solution of the problem not only today but in the future as well.

Also, with the intent of assessing if and under what conditions the inhabitants use the arsenic removal methodology, surveys included questions about the frequency of use of the SORAS technology, the protocol followed by inhabitants, the conditions of the materials used for good removal efficiency, and if they have difficulties to obtain the necessary material resources. The results obtained so far show a great participation of the inhabitants from the different towns in the application of this innovative and low-cost technology, which in turn allows them generating domestic-level water for human consumption of a higher quality than the quality observed before the study.

This last situation allows projecting a sustained achievement of the objective of this project, being one of the major ultimate purposes to achieve a permanent application of the technology at the homes of the communities affected by the arsenical problem, which would result in a major improvement in health and quality of life. However, this would not mean leaving aside the constant and periodical monitoring of hydric resources.

It should be mentioned that in order to help disseminate the modified SORAS – zerovalent iron technology, volunteer young professionals from the Chilean program “Servicio País” (www.serviciopais.cl), who are working at the communities of Illapata, Esquiña and Camarones on a permanent basis. Also, these young professionals are helping to carry out the surveys. This process is still under development, which is the reason why the results are not presented in this report. Therefore, it is necessary to continue our work in this area until this important stage of the project is completed.

Figures 5 to 7 show the informational material distributed among inhabitants.

Figure 5. Calendar for 2007, showing the modified SORAS – zerovalent iron technology


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Figure 6. Informational poster with a detailed description of the modified SORAS – zerovalent iron technology


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Figure 7. Brochure distributed among inhabitants describing the steps to follow for a correct application of the modified SORAS – zerovalent iron technology

On the other hand, a conference was held for the regional authorities of the city of Arica and business people, called “Low-cost technologies for water disinfection and decontamination in rural areas of Latin America. Camarones – Chile: a case study” with the purpose of disseminating the local results obtained by the OAS/AE/141 Project. The conference was announced by the local press (Figure 8). This activity took place at the El Paso Hotel, on Thursday, November 16, 2006 at 13:00 hours, and was sponsored by the Regional Corporation of Scientific and Technological Development of the Man in the Desert (Corporación Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico del Hombre en el Desierto, CODECITE). The main purpose of this corporation is the creation of a permanent regional center for high-level scientific and technological research for the study of the relation between men and the environment and the production of knowledge that contributes to the development of the desert macro-region in general and the Tarapacá region in particular. This activity allowed establishing relationships with public and private sectors. This is very important for eventual financial support to allow the continuity of the objectives set forth by this project.


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Figure 8. Article published by the local newspaper of Arica in November 2006

Finally, with the possibility of spreading these advantages and benefits to other rural communities with similar characteristics, work will continue to be done with the inhabitants, and specially with teachers and students because it is them who will be able to achieve a greater impact on the family groups living in rural areas. Also, the systematic


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task of informing and increasing the awareness of authorities about the advantages of the technology studied by this project and the benefits it provides to rural communities will be continued.

ACKNOWLEDGMENTS

To the Research Center of Man in the Desert (CIHDE) for the scholarships granted to the thesis students. To the University of Tarapacá and the University of Concepción for their support to this research project. To the OAS for the funds granted for the development of this project. To the Municipality of Camarones for their support through their Mayor, Ms. Sonia Salgado. To school teachers from the communities involved for their constant collaboration.

Ma. Teresa Leal Ascencio, Silvia Gelover, Karina Reyes y Luis A. Gómez

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Desinfección de agua mediante SODIS y fotocatálisis solar en comunidades de Juan N. Álvarez, Estado de Guerrero, México


Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Mor. México

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RESUMEN

Se probó la eficacia de los procesos fotocatalíticos utilizando dióxido de titanio inmovilizado en la inactivación de bacterias coliformes totales y fecales. Las condiciones más favorables ensayadas en el laboratorio fueron traslapadas en su aplicación al campo utilizando como modelo una comunidad rural. Las pruebas de laboratorio mostraron que la desinfección mediante fotocatálisis solar con TiO2 requirió de 30 minutos para reducir la concentración de coliformes a cero, mientras que el proceso SODIS requirió más de 60 minutos para lograr el mismo efecto. No se observó recrecimiento durante siete días para las muestras tratadas con fotocatálisis solar con TiO2, mientras que las muestras con SODIS mostraron recrecimiento a partir del primer día de almacenamiento. Los ensayos en campo resultaron muy satisfactorios al conseguir la completa remoción de coliformes totales y fecales después de 30 minutos de irradiación solar, partiendo de concentraciones típicamente encontradas en aguas naturales contaminadas en México.

INTRODUCCIÓN

En México las condiciones de insalubridad y falta de infraestructura hidráulica se acentúan en las zonas indígenas y rurales. Así, hay regiones donde la cobertura de agua entubada es menor al 50%, sin que ello asegure que ha sido clorada. Por otro lado, la carencia de sistemas de conducción y tratamiento de aguas residuales ha generado contaminación microbiana de aguas superficiales y

Desinfección de Agua mediante SODIS y Fotocatálisis Solar en comunidades de Juan N. Álvarez, Estado de Guerrero, México

200

subterráneas que son utilizadas para consumo de la población (Organización Panamericana de la Salud, 1995).

La colonia Juan N. Álvarez es una pequeña comunidad conocida también como Playa Ventura ubicada en el municipio de Copala, Guerrero en México. Consta de unos 600 habitantes aproximadamente, los cuales se encuentran repartidos en unas 100 casas, a las que la cobertura de agua entubada sólo llega a un 50%. El resto de la población se conecta a la tubería por medio de mangueras donde las fugas son constantes y, por consiguiente, el agua y el fecalismo de los hombres y animales se conjunta, generando contaminación microbiana en el agua que llega a las casas (Guerrero y col., 2006).

El municipio de Copala se constituyó como uno de los municipios que conforman el Estado de Guerrero, en el año de 1850. En 1861, cedió una porción al municipio de Cuautepec y adquirió una porción del municipio de Ayutla y en 1899 cedió otra porción del norte al municipio de Cuautepec.

Localización. Pertenece a la región de la Costa Chica, localizada al sureste del Estado de Guerrero, enclavado en los márgenes del río de su mismo nombre y del océano Pacífico, sobre la carretera Acapulco-Pinotepa Nacional, Oax., a 117 km del puerto de Acapulco (Figura 1).

Se encuentra en las coordenadas geográficas de 16°30’ N y 90°0’ O. Limita al norte con el municipio de Cuautepec, al este con Azoyú, al oeste con Florencio Villarreal y al sur con el océano Pacífico.

Extensión. La extensión territorial es de 344,4 kilómetros cuadrados.

Orografía. El relieve está constituido por dos tipos de zonas: planas que abarcan el 90% de superficie formada por lomeríos con pendientes mínimas localizándose en casi todo el municipio y las zonas accidentadas compuestas por 10% del territorio. La altura sobre el nivel del mar oscila entre los 50 y 200 metros.

Hidrografía. La integra principalmente el río Copala, que nace en la pequeña sierra de Coapinola y desemboca en el punto denominado la Barra o Bordo Blanco; éste sirve como fuente de irrigación en los meses de lluvia y es el que le da fertilidad a los terrenos del bajío, en los meses de junio julio, agosto y septiembre. Es el río más importante, y pasa a escasos 700 metros de distancia de la población de Copala.

A este río se le unen varios arroyos que alimentan a las corrientes principales: el río Marquelia, las lagunas de Las Peñas, los Canales Corredizos o Charcos de Los Draguitos, Zacatón, Canales de La Puente, la desembocadura del río que forma la barra al Océano Pacífico, la Laguna de Las Salinas, el Charco Crucino, el Arroyo el Carrizo, el Canal de Mata de Mangle, la Bocana, Santa Rosa, Candelilla, la Laguna de Chautengo y los Canales la Fortuna.

Clima. Copala se caracteriza por tener un clima tropical de tipo cálido subhúmedo de los meses más calurosos abril, mayo, junio, julio y agosto, principalmente cuando son escasas las lluvias. La temperatura más alta es de 36 °C y la más baja de 26 °C; ésta se presenta en los meses de diciembre, enero y febrero. El clima caluroso, especialmente en abril, mayo y junio, es subhúmedo por la brisa de mar. La temperatura promedio anual es de 27 °C.


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Figura 1. Localización geográfica del Estado de Copala, Gro.

Recursos naturales. Sus principales recursos naturales son su flora y su fauna, que es muy variada, así como sus recursos hidrológicos entre los que se encuentran sus ríos, arroyos y lagos. Asimismo, los suelos del municipio son muy aptos para el desarrollo de la agricultura y ganadería. Pero, principalmente, se destacan los recursos provenientes de sus playas y su mar abierto.

Principales ecosistemas. Flora: dentro de la vegetación silvestre encontramos principalmente ocote, guamuchil, chirimoyo, cocoteros, platanares, amates, espinos y manglares. Se encuentran plantas de ornato como bugambilias, rosas, nochebuena, tulipanes, teresitas, pascuas, chinos, copa de oro y crotos. También encontramos plantas tradicionales como coyotomate, bejuco amargo, cacahuananche, zuzuca, palo de golpe y cuachalalate, entre otras.

Fauna: entre los animales silvestres encontramos conejos, tejón, iguana, armadillo, chachalaca, tlacuache, zorrillo, ardilla, venado, jabalí, mapache y onza. También existen animales venenosos para el hombre como alacranes, arañas, víboras, escorpiones, sapos; también hay aves silvestres como calandrias, jilgueros, tórtolas, zopilotes, golondrinas, palomas, entre otros.

Fauna marina y acuática: encontramos tortugas, garapachos, variedad de especies en el océano y agua dulce como róbalo, pargo, guachinango, mojarra, lisa, cuatete, charras, bagre, barrilete, langosta, pulpo, cazón, ostión, cabeza de hacha, almeja, jaiba, camarón, sirique, almiche, charchina cabezada, carpa etc. También encontramos lagartos, tiburones, tintorera etc.

Características y uso del suelo. Los tipos de suelos que presentan son el chernozem o negro, aptos para la agricultura y estepa praire con descalcificación, benéficos para la explotación ganadera. Además se tienen suelos que contienen materia orgánica de color oscuro amarillento para uso agrícola.


202

PERFIL SOCIODEMOGRÁFICO

Grupos étnicos. De acuerdo al XII Censo General de Población y Vivienda 2000 efectuado por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), la población total de indígenas en el municipio asciende a 278 habitantes, los cuales representan el 2,12% respecto a la población total del municipio. Sus principales lenguas indígenas en orden de importancia son tlapaneco y popoluca.

Evolución demográfica. De acuerdo al mismo censo, la población total del municipio de Copala es de 13060 habitantes, de los cuales 6398 son hombres y 6662 mujeres, representando el 48,5% y 51,5% respectivamente. La población total del municipio representa el 0,42 por ciento con relación a la población total del Estado.

Tabla 1. Evolución de la población en el Municipio.

Año Población

1960 5398

1970 8647

1980 10231

1990 11409

1995 12814

2000 13060

INFRAESTRUCTURA SOCIAL Y DE COMUNICACIONES Educación. En 1990, la población alfabetizada era de 3983 habitantes y la analfabeta de 1796 habitantes, esto con respecto al total de la población de 15 años y más.

En el ciclo escolar 1998-1999, de acuerdo al Anuario Estadístico del Estado de Guerrero, el municipio tenía un total de 49 escuelas y 186 profesores distribuidos de la siguiente manera:


203

Tabla 2. Infraestructura educativa en el Municipio.

Nivel Escuelas Profesores

Preescolar 19 33

Primaria 24 111

Secundaria 5 29

Profesional medio - -

Bachillerato 1 13

Total 49 186

Salud. La población cuenta con Servicios Estatales de Salud, ubicados uno en la cabecera municipal, otro en Atrixco y uno más en Las Salinas.

Abasto. Cuenta con un mercado municipal, un tianguis comercial, varios negocios como centros comerciales, misceláneas, tienda de ropas, ferreterías, farmacias y casas comerciales de productos del campo.

Deporte. La actividad deportiva está dominada por el básquetbol, fútbol y voleibol, que son los deportes que más practica la juventud, por lo cual la mayoría de las comunidades cuentan con canchas. De entre las que se pueden contar 9 canchas de fútbol y 15 canchas de básquetbol.

Vivienda. De acuerdo al XII Censo General de Población y Vivienda 2000 efectuado por el INEGI, el municipio cuenta al 2000 con 2743 viviendas ocupadas, de las cuales 2463 disponen de agua potable, 1067 cuentan con drenaje y 2537 cuentan con energía eléctrica, representando 89,8%, 38,9% y 92,5% respectivamente.

De acuerdo al régimen de propiedad, el 89,9% del total de viviendas es propia y el 10,1% rentadas. Con relación a los asentamientos humanos, representa las siguientes características: el 40,28% son de adobe, el 58,15% de cemento, el 0,77% de madera o asbesto y 0,80% no especificado.

Servicios públicos. Los servicios públicos que cubre la presidencia municipal son los siguientes:


204

Tabla 3. Servicios públicos.

Servicios Porcentaje

Agua potable 70

Energía eléctrica 70

Alumbrado público 80

Seguridad pública 70

Recolección de basura 50

Salud 80

Pavimentación 10

Panteones 40

Transporte 80

Recreación y deporte 70

Educación 80

Medios de comunicación. En la cabecera municipal la población cuenta con los servicios de radiotelefonía y agencia de telégrafos, correos y teléfono rural.

Vías de comunicación. La principal vía de comunicación es la carretera costera del pacífico Acapulco-Pinotepa Nacional, Oaxaca y algunas otras como las de terracerías de la Peñas, Mata de Mangle, Atrixco, Campanillas, El Papayo, Bocana del Tecolote y las pavimentadas como a Juan N. Álvarez (Playa Ventura) y las Salinas.


205

ACTIVIDAD ECONÓMICA

Principales sectores, productos y servicios

Agricultura. Los principales productos que se cultivan son coco, plátano, maíz, fríjol, chile, jitomate, tomate, sandia, arroz, melón, tabaco, jamaica, papaya, caña, calabaza, cacao, jinicuil, piña, toronja, ciruela, zapote, tamarindo, mango, nanche, cacahuate, y se cuenta con maquinaria como tractores, insumos agrícolas, fertilizantes, equipo de bombas.

Ganadería. La población se dedica a la cría de ganado vacuno como el suizo para obtener leche y carne, otras razas como holandés, charolay yerci, cebú y también la cría de ganado caballar, cabrío, borregos, peliguey, asnal, porcino, etc. La comercialización se hace en forma local y regional.

Industria. El municipio cuenta con una planta industrial secadora de coco, así como también un centro de investigación de coco híbrido, “la impulsora Guerrerense del cocotero”.

Comercio. Cuenta con un mercado municipal, el cual le sirve como fuente de ingreso en la economía, los productos que se cultivan en esta región se venden en el mercado. Cuenta también con algunas casas comerciales, tiendas de ropa, muebles, calzado, alimentos, ferretería, materiales para la construcción, papelería, etc.

Servicios. Cuenta con algunas casas de huéspedes y restaurantes, existen varios centros nocturnos y se carece de agencias de viajes, arrendamientos de autos, transporte turístico, asistencia profesional, etc.

Turismo. El atractivo turístico de mayor afluencia es playa Ventura, la cual es concurrida por visitantes de la región estatal, nacional e internacional y restaurantes como cabañas y enramadas.

Población económicamente activa por sector. De acuerdo con cifras al año 2000 presentadas por el INEGI, la población económicamente activa del municipio se presenta en la siguiente tabla:


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Tabla 4. Población económicamente activa.

Sector Porcentaje

Primario (Agricultura, ganadería, caza y pesca) 56.86

Secundario (Minería, petróleo, industria manufacturera, construcción y electricidad)

11.50

Terciario (Comercio, turismo y servicios) 30.49

Otros 1.15

OBJETIVOS DEL ESTUDIO

Los objetivos de este estudio fueron definir los tiempos y condiciones óptimas de desinfección por fotocatálisis solar con dióxido de titanio inmovilizado, para probar su eficacia en situaciones reales dentro de una comunidad rural.

METODOLOGÍA

Con la intención de aproximarse lo más posible a las condiciones reales, las muestras para los experimentos de desinfección bacteriana en laboratorio se tomaron de una fuente natural de agua (un manantial) con una concentración aproximada de 2 × 103 en coliformes totales y 9 × 102 NMP/100 mL en coliformes fecales. La irradiación solar por medio de ambos procesos SODIS y fotocatálisis solar con TiO2 inmovilizado (Gelover y col., 2004), se realizó en botellas PET de 2 L en concentradores solares de paredes planas (Figura 2), durante tiempo suficiente para llevar la concentración de coliformes totales y fecales a cero. La cuantificación de coliformes antes y después de los procesos de desinfección se llevó a cabo mediante la técnica del sustrato cromogénico (APHA, 1998). Al término de la exposición solar, las muestras de agua eran almacenadas dentro de sus recipientes de prueba de uno a siete días bajo condiciones de luz y temperatura ambiente, para monitorear el grado de recrecimiento bacteriano durante este tiempo. La cuantificación del recrecimiento durante el almacenaje se realizó mediante la técnica del sustrato cromogénico. La recuperación de las bacterias con capacidad de recrecimiento se hizo en medios selectivos (XLD, EMB, McConkey y SS), para su posterior identificación a través de pruebas bioquímicas miniaturizadas tipo API 20-E (Juang y Morgan, 2001).


207

Figura 2. Irradiación de muestras de agua conteniendo bacterias coliformes.

Una vez estandarizadas las condiciones de desinfección se procedió a la realización de pruebas en campo. A través de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos se tuvo acceso a la comunidad Juan N. Álvarez (Playa Ventura), perteneciente al municipio de Copala, Gro. En este sitio se tuvo acercamiento a los representantes de cinco agrupaciones del pueblo: Ayudante Municipal de Playa Ventura, Junta de Agua Potable, Asociación de Colonos de Playa Ventura, Asociación de Padres de Familia y Asociación de Ecoturismo en Playa Ventura. Se les dieron charlas a los representantes de esta comunidad en las que se explicaron las bondades de la fotocatálisis y se tomaron análisis del agua para consumo que recibe la población. La población adulta consultada a través de la Junta de Agua Potable y del Ayudante Municipal, Sr. Benito Velarde Tejada y Sr. Bulmaro Pérez Ventura, respectivamente, decidieron no participar en el entrenamiento de la técnica (Figura 3). Se realizó una encuesta entre los habitantes para determinar el método que usaban para desinfectar su agua. Ante la falta de interés de la población adulta en la comunidad por aprender a tratar su agua, se propuso introducir el método con alumnos de la escuela de educación básica. Se le propuso a la directora de la escuela Prof. Salustia Ventura y fue aceptada la propuesta. Se llevaron a cabo jornadas de capacitación a alumnos de educación básica.

Se tomaron muestras de agua dentro de la escuela primaria “José Maria Morelos y Pavón”, provenientes del bebedero que los niños utilizan. Se trabajó impartiendo talleres y realizando prácticas de desinfección con alumnos de primer a tercer grado (Figura 4).

Adicionalmente, se utilizaron muestras de agua provenientes del pozo que funciona como fuente de abastecimiento a la comunidad, además de la toma de muestras en algunos de los pozos artesianos que también se encuentran dentro de la comunidad y eventualmente la gente utiliza para abastecerse de agua (Figura 5).


208

Figura 3. Reunión con los representantes de la comunidad “Juan N. Álvarez”.

Figura 4. Práctica de desinfección solar en la escuela primaria “José Maria Morelos y Pavón”.

Figura 5. Toma de muestras en los pozos de “Juan N. Álvarez”.


209

RESULTADOS

A nivel laboratorio, el tratamiento de fotocatálisis solar con dióxido de titanio requirió de 30 minutos para reducir la concentración de coliformes totales a cero, mientras que el proceso SODIS a ese tiempo aún presenta 43% de remanencia (Figura 6a). Para el caso de coliformes fecales, la fotocatálisis solar requirió de 15 minutos para reducir la carga inicial bacteriana a cero. En el caso del proceso SODIS, el tiempo necesario para reducir la concentración a cero fue de 60 minutos (Figura 6b).

Los resultados del almacenamiento de las muestras después de la desinfección, mostraron que no hubo recrecimiento de coliformes totales ni coliformes fecales durante siete días para las muestras tratadas con fotocatálisis solar. En contraste, en las muestras tratadas mediante SODIS, el recrecimiento de coliformes totales se presentó a partir del primer día de almacenamiento con una concentración bacteriana de 40 NMP/100 mL hasta 250 NMP/100 mL al quinto día de almacenamiento (Figura 7a). En el caso de los coliformes fecales el máximo recrecimiento encontrado en las muestras tratadas por SODIS correspondió a 2 NMP/100 mL al quinto día de almacenamiento (Figura 7b).

Figura 6a. Inactivación de coliformes totales en función del tiempo de irradiación.

Figura 6b. Inactivación de coliformes fecales en función del tiempo de irradiación.

En la identificación bacteriana, las bacterias responsables del recrecimiento pertenecieron a las especies de: Enterobacter cloacae, Rhanella aquatilis, Aeromonas hidrofila, Serratia odorifera, Klebsiella ornitolitica y Klebsiella terrigena.

En la comunidad de Juan N. Álvarez, los análisis de los resultados de las prácticas en campo mostraron que con el implemento de la fotocatálisis solar, después de 30 minutos se consigue la inactivación de los coliformes totales y fecales partiendo de una concentración aproximada de 103 y 102 respectivamente.

De la encuesta realizada en las reuniones con los representares de la comunidad, se detectó que el 50% de la población hierve su agua, 25% adicional la clora y el 25% restante la toma sin desinfección. Dentro de la escuela primaria, se observó que los niños de primero y segundo grado mostraron mucha más aceptación e interés que los alumnos mayores a 10 años de edad. Se dio una visita de seguimiento en la escuela y se percibió que debido a las condiciones meteorológicas de los meses de agosto-noviembre, en los que ha habido prevalencia de días nublados, no se ha aplicado el método en su totalidad en la escuela.


210

Figura 7a. Recrecimiento de coliformes totales.

Figura 7b. Recrecimiento de coliformes fecales.

Los resultados de la cuantificación de coliformes y parámetros de campo medidos en los pozos de la comunidad Juan N. Álvarez se resumen en la tabla 5:

Tabla 5. Resultado del análisis en diferentes pozos encontrados en la colonia “Juan N. Álvarez”.

Pozo pH Temperatura

(°C)

Conductividad

(µS cm-1)

Coliformes totales

(NMP/100 mL)

Coliformes fecales

(NMP/100 mL)

La Palmita

(principal)

5,4 30,0 93,0 770 23

Tommy 6,2 31,4 517 Cero Cero

La Tortuguita

5,7 32,6 340 Cero Cero

Los Marineros

6,2 32,8 236 Cero Cero

Doña Alfa 6,1 32,3 216 12 Cero

NOM-127-SSA1

6,5-8,5

-- * Cero Cero

* No se especifica la conductividad sino los SDT (sólidos disueltos totales), los cuales tienen un límite de 1000 mg L-1.

CONCLUSIONES

Ensayos de laboratorio mostraron que la desinfección mediante fotocatálisis solar con TiO2 requiere de 30 minutos para reducir la concentración de coliformes a cero, mientras que el proceso SODIS requiere más de 60 minutos para lograr el mismo efecto. No se observó recrecimiento durante siete días para las muestras tratadas con fotocatálisis


211

solar con TiO2, mientras que las muestras con SODIS mostraron recrecimiento a partir del primer día de almacenamiento. Los ensayos en campo resultaron muy satisfactorios al conseguir la completa remoción de coliformes totales y fecales después de 30 minutos de irradiación solar, partiendo de concentraciones típicamente encontradas en aguas naturales contaminadas en México.

REFERENCIAS

APHA (1998): Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th edition. American Public Health Association/American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.

Guerrero, V., Sánchez, M. y García F.A. (2006): Diagnóstico microbiológico de la calidad de agua en Playa Ventura municipio de Copala, Guerrero. México. Congreso Internacional y Nacional de Ciencias Ambientales. Oaxtepec, Mor.

Gelover, S., Mondragón, P., Jiménez, A. (2004): Titanium dioxide sol-gel deposited over glass and its application as a photocatalyst for water decontamination. J. Photochem. Photobiol. 165, 241-246.

Juang, Der-Fong, Morgan, J.M. (2001): The applicability of the API 20E and API Rapid NFT systems for the identification of bacteria from activated sludge. J. Biotechnol. 4, 11-17.

http://www.guerrero.gob.mx Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Síntesis de Indicadores

Sociodemográficos, 2000. Organización Panamericana de la Salud (1995): Guías para la calidad del agua potable,

2ª ed. Organización Mundial de la Salud.

Ma. Teresa Leal Ascencio, Silvia Gelover, Karina Reyes and Luis A. Gómez

213

7

Water disinfection by means of SODIS and solar photocatalysis in communities of Juan N. Álvarez, State of Guerrero, Mexico


Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Mor. Mexico

[email protected]

SUMMARY

The efficacy of photocatalytic processes with immobilized titanium dioxide was tested for the inactivation of fecal and total coliform bacteria. The most favorable conditions among those tested at the laboratory were applied to field studies using a rural community as a model. Laboratory tests showed that disinfection by solar photocatalysis with TiO2 required 30 minutes to reduce coliform concentration to zero, whereas the SODIS process required more than 60 minutes to achieve that same result. No re-growth was observed during seven days for the samples treated by solar photocatalysis with TiO2, whereas the samples treated with SODIS presented re-growth from the first day of storage. Field tests were very satisfactory; a complete removal of fecal and total coliforms was achieved after 30 minutes of solar irradiation, the starting concentrations being those typically found in natural contaminated waters in Mexico.


214

INTRODUCTION

In Mexico, unhealthiness conditions and the lack of a hydraulic infrastructure are worsened in Indian and rural areas. Thus, there are regions where running water coverage is below 50%, and even if the service is available, there is no guarantee that chlorine has been added to it. On the other hand, the lack of conduction and treatment systems for waste waters has caused microbial contamination of surface and ground waters that are used for human consumption (Pan-American Health Organization, 1995)

Juan N. Álvarez is a small community also known as Playa Ventura; it is located in the municipality of Copala, Guerrero in Mexico. It has approximately 600 inhabitants, who are distributed in about 100 houses. Running water reaches only around 50% of these. The rest of the population has access to the running water service by means of hoses, which have constant leakages. Water and human and animal feces are thus mixed, causing microbial contamination that reaches the houses (Guerrero et al., 2006).

The municipality of Copala was constituted as such and became part of the State of Guerrero in 1850. In 1861 it transferred part of its lands to the municipality of Cuautepec and received lands from the municipality of Ayutla. In 1899 it transferred more lands from the north to the municipality of Cuautepec.

Location. It belongs to the Costa Chica region, located to the southeast of the State of Guerrero, between the margins of the river with the same name and the Pacific Ocean, on the Acapulco-Pinotepa Nacional road, Oaxaca, 117 km from the port of Acapulco (Figure 1).

Its geographic coordinates are 16°30’ N and 90°0’ W. It borders with the municipality of Cuautepec to the north, with Azoyú to the east, with Florencio Villarreal to the west and with the Pacific Ocean to the south.

Extension. It spans over an area of 344.4 square kilometers.

Orography. There are two types of areas: plains, which cover 90% of the surface with minimal hills almost all over the municipality, and the remaining 10% with irregular relief. Height above sea level ranges between 50 and 200 meters.

Hydrography. Its main component is the Copala River, which is born at the small Coapinola hill and ends at the point called La Barra or Bordo Blanco. It is used for irrigation during the rainy period and is the source of fertility for the lowlands during the months of June, July, August, and September. It is the major river and it runs at a mere 700 meters from the Copala community.

This river is joined by several streams that feed the main currents: the Marquelia river, the lagoons of Las Peñas, the Canales Corredizos or Charcos de Los Draguitos, Zacatón, the La Puente channels, the mouth of the river on the Pacific Ocean, the Las Salinas lagoon, Charco Crucino, the Arroyo el Carrizo stream, the Mata de Mangle channel, la Bocana, Santa Rosa, Candelilla, the Chautengo lagoon and the La Fortuna channels.


215

Climate. Copala is characterized for its tropical, sub-humid, warm climate during the hottest months of April, May, June, July, and August, i.e., when rains are scarce. The highest temperature is 36 °C and the lowest is 26 °C (during the months of December, January, and February). This hot climate, particularly in April, May, and June, is sub-humid due to the breeze from the sea. The average annual temperature is 27 °C.

Figure 1. Geographic location of the State of Copala, Gro.

Natural resources. The main natural resources of the area are its flora and fauna, which are very diverse, as well as its hydrologic resources including the rivers, streams, and lakes. Also, the soil in the area is very suitable for the development of agricultural and stockbreeding activities. However, the most important resource are its beaches and open sea.

Major ecosystems. Flora: wild vegetation includes mainly ocote pines, Madras thorns, cherimoya trees, coconut palms, banana trees, fig trees, Cassie flowers, and mangrove swamps. There are ornamental plants such as Spanish gooseberry, roses, poinsettias (Christmas Eve flowers and flowers of Christmas), tulips, periwinkle, Mexican ebony, golden cups and crotons. There are also traditional plants such as coyotomate tomatoes, crossvines, Mexican lilac, zuzuca plants, gulf graytwig, and Cuachalala trees.

Fauna: Among wild animal, the following can be found: rabbits, badgers, iguanas, armadillos, chachalacas, didelphimorphs, skunks, squirrels, deer, wild boars, raccoons, and Mexican pumas. There are also animals that are poisonous to human beings, such as scorpions, spiders, snakes, and toads, as well as wild birds such as larks, goldfinches, turtledoves, vultures, swallows, and pigeons, among others.

Marine and aquatic fauna: There are turtles, leatherback turtles, a variety of sea- and fresh-water species such as sea bass, red porgy, red snapper, bream, mullet, widehead sea catfish, cichlids, catfish, mushmouth, lobster, octopus, dogfish, large oyster,

PACIFIC OCEAN

Municipality of Copala, State of Copala, Gro.


216

hatchetfishes, clam, crab, shrimp, sirique, almiche, charchina cabezada, carp, etc. There are also alligators, sharks, etc.

Characteristics and use of soil. The soils present in the region are of the chernozem or black type, suitable for agriculture, and prairie steppes with decalcification, which are beneficial for stockbreeding activities. There are also dark yellowish soils with organic matter content, which are suitable for agricultural uses.

SOCIODEMOGRAPHIC PROFILE

Ethnic groups. According to the XII General Population and Housing Census 2000, carried out by the National Institute of Statistics, Geography and Information (INEGI), the total population of Indians in the municipality is 278 inhabitants, who represent 2.12% of the total population of the municipality. Their main native languages are, in order of importance, tlapaneco and popoluca.

Demographic evolution. According to this same census, the total population of Copala is 13,060 inhabitants, with 6,398 men (48.5%) and 6,662 women (51.5%). The total population of the municipality represents 0.42% of the total population of the State.

Table 1. Population evolution in the municipality

Year Population

1960 5,398

1970 8,647

1980 10,231

1990 11,409

1995 12,814

2000 13,060

SOCIAL AND COMMUNICATIONS INFRASTRUCTURE Education. In 1990, the total literate population was 3,983 inhabitants and the illiterate population was 1,796 inhabitants for all inhabitants that were 15 years old or older.


217

According to the Statistical Yearbook of the State of Guerrero, the academic cycle in 1998-1999 had a total of 49 schools and 186 teachers distributed as follows:

Table 2. Educational infrastructure in the municipality

Level Schools Teachers

Kindergarten 19 33

Primary School 24 111

Middle School 5 29

Technical School - -

High School 1 13

Total 49 186

Health. The population has access to State Health Services, whose offices are located at the seat of the municipality, another at Atrixco, and a third one at Las Salinas.

Central market. There is a municipal market available, as well as a flea market, several shops grouped in malls, miscellaneous, clothing shops, hardware stores, drugstores, and farming products stores.

Sports. Sporting activity is dominated by basketball, soccer, and volleyball, which are the most popular sports among young people, and therefore most communities have fields and courts to practice them. There are 9 soccer fields and 15 basketball courts.

Housing. According to the XII General Population and Housing Census 2000, carried out by the INEGI, the municipality had 2,743 inhabited houses in 2000. From these, 2,463 have drinking water services (89.8%), 1,067 have drainage services (38.9%), and 2,537 have electricity (92.5%).

According to the property regime, 89.9% of all inhabitants own their homes and the remaining 10.1% are tenants. As regards human settlements, the distribution is as follows: 40.28% of the houses are made of adobe, 58.15% are made of cement, 0.77% are made of wood or asbestos, and 0.80% is not indicated.

Public services. The public services provided by the municipality are the following:


218

Table 3. Public services

Services Percentage

Running water 70

Electricity 70

Street lighting 80

Public safety 70

Trash collection 50

Health 80

Paving 10

Cemetery 40

Transportation 80

Recreation and sports 70

Education 80

Communications. The seat of the municipality offers radiotelephony and telegraph services, postal mail and rural telephony.

Roads. The main access road is the coastal road on the Pacific that runs between Acapulco and Pinotepa Nacional, Oaxaca. There are some other access roads such as the unpaved roads from Las Peñas, Mata de Mangle, Atrixco, Campanillas, El Papayo, Bocana del Tecolote, and paved roads from Juan N. Álvarez (Playa Ventura) and Las Salinas.


219

ECONOMIC ACTIVITY

Main sectors, products and services

Agriculture. The main products cultivated in the area are coconuts, banana trees, maize, beans, chili, tomatoes, watermelons, rice, tobacco, hibiscus, papayas, canes, pumpkins, cacao, jinicuil, pineapples, grapefruits, plums, sapodilla plums, tamarinds, mangoes, nances, and peanuts, and there is agricultural machinery and supplies such as tractors, agricultural supplies, fertilizers, pumps, etc.

Stockbreeding. Cattle is bred to obtain milk and meat (Swiss, Dutch, Charolais, and Jersey bovine cattle), as well as equine, porcine and pelibuey cattle, zebu, goats, lambs, donkeys, etc. Commercialization is either local or regional.

Industry. The municipality has a coconut drying plant, as well as a hybrid coconut research center, known as the “Guerrero driver of coconut palms”.

Commerce. There is a municipal market that acts as a source of income from an economy perspective; the products grown in the region are sold at the market. There are also some commercial shops, and stores that sell clothes, shoes, furniture, food, hardware, construction materials, stationery, etc.

Services. There are some hostels and restaurants as well as several night centers, but there are no travel agencies, car rentals, tourist transportation, professional assistance, etc.

Tourism. The most popular tourist attraction is Ventura beach, which is visited by local, national, and international tourists. It has cabin and pergola ambience restaurants.

Economically active population per sector. According to the figures presented by the INEGI, the economically active portion of the population in this municipality is distributed as follows:


220

Table 4. Economically active population

Sector Percentage

Primary (Agriculture, stockbreeding, fishing and hunting) 56.86

Secondary (Mining, petroleum, manufacturing industry, construction and electricity)

11.50

Tertiary (Commerce, tourism and services) 30.49

Other 1.15

OBJECTIVES OF THE STUDY

The objectives of this study were to define the optimum times and conditions for water disinfection by solar photocatalysis with immobilized titanium dioxide to demonstrate its efficacy in real situations in a rural community.

METHODOLOGY

In order to come as closely as possible to real conditions, the samples for laboratory bacterial disinfection experiments were taken from a natural water source (a spring) with an approximate concentration of 2 x 103 total coliforms and 9 x 102 MPN/100 mL fecal coliforms. Solar irradiation for both processes – SODIS and solar photocatalysis with immobilized TiO2 (Gelover et al., 2004) – was carried out in 2-L PET bottles placed inside solar concentrators with flat walls (Figure 2) during a period of time that was enough to take the concentration of total and fecal coliforms to zero. The quantification of coliforms before and after the disinfection processes was performed with the chromogenic substrate technique (APHA, 1998). Upon conclusion of the solar exposure period, water samples were stored inside the testing recipients from one to seven days under room temperature and lighting conditions in order to monitor the degree of bacterial re-growth during that period. Re-growth quantification during the storage period was also performed with the chromogenic substrate technique. The recovery of bacteria with their re-growth capacity was carried out in selective media (XLD, EMB, McConkey and SS) for a later identification by means of miniaturized biochemical tests of the API 20-E type (Juang and Morgan, 2001).


221

Figure 2. Irradiation of water simples containing coliform bacteria

Once disinfection conditions were standardized, field tests were carried out. Through the Autonomous University of the State of Morelos, we had access to the community of Juan N. Álvarez (Playa Ventura), part of the municipality of Copala, Guerrero. Five groups from this town were approached: Playa Ventura Municipal Aid, Drinking Water Committee, Playa Ventura Citizens Association, Parents Association and Association for Ecotourism in Playa Ventura. Meetings were held with the representatives of this community where the benefits of photocatalysis were explained, and samples were taken to analyze the quality of the water consumed by the population. The adult population consulted through the Drinking Water Committee and the Municipal Aid, Mr. Benito Velarde Tejada and Mr. Bulmaro Pérez Ventura, respectively, decided not to participate in the training sessions for using this technique (Figure 3). A survey was carried out among inhabitants to determine the method currently used to disinfect water. Due to the lack of interest from the adult population to learn how to treat their consumption water, a proposal was presented to teach the method to students from the basic level. This was proposed to the director of the elementary school Prof. Salustia Ventura, and the proposal was accepted. Training sessions were carried out for the students in this institution.

Water samples were taken from the drinking fountain used by children at the elementary school “José Maria Morelos y Pavón”. Workshops and practical sessions were carried out to apply the disinfection method with students from first to third grades (Figure 4).

Additionally, water samples taken from a well used by the whole community for water supply were used, and water samples were also taken form some artesian wells found in the community that people sometimes use to get water (Figure 5).

Solar exposure inside the solar photocatalysis and SODIS concentrator

Rings with immobilized TiO2 (87.5 mg L-1)


222

Figure 3. Meeting with representatives from the “Juan N. Álvarez” community

Figure 4. Solar disinfection practice at the elementary school “José Maria Morelos y Pavón”

Figure 5. Sample collection from wells at “Juan N. Álvarez”


223

RESULTS

At a laboratory level, the treatment by solar photocatalysis with titanium dioxide required 30 minutes to reduce the concentration of total coliforms to zero, whereas the SODIS process presented 43% permanence after that same time had elapsed (Figure 6a). In the case of fecal coliforms, solar photocatalysis required 15 minutes to reduce the initial bacterial concentration to zero. In the case of the SODIS process, the time needed to reduce the concentration to zero was 60 minutes (Figure 6b).

The results corresponding to the storage period of the samples after disinfection showed that there was no re-growth of neither total nor fecal coliforms during seven days for the samples treated by solar photocatalysis. On the other hand, the samples treated with SODIS showed re-growth of total coliforms from the first day of storage with a bacterial concentration of 40 MPN/100 mL up to 250 MPN/100 ml on the fifth day of storage (Figure 7a). In the case of fecal coliforms, the maximum re-growth found for the samples treated with SODIS was 2 MPN/100 mL on the fifth day of storage (Figure 7b).

Figure 6a. Inactivation of total coliforms as a function of irradiation time

Figure 6b. Inactivation of fecal coliforms as a function of irradiation time

As regards bacterial identification, the species found after re-growth were: Enterobacter cloacae, Rhanella aquatilis, Aeromonas hidrofila, Serratia odorifera, Klebsiella ornitolitica and Klebsiella terrigena.

In the community of Juan N. Álvarez, the analysis of the results obtained from field tests showed that with solar photocatalysis, inactivation of total and fecal coliforms is reached after 30 minutes taking an approximate concentration of 103 and 102, respectively, as a starting point.

The survey carried out during the meetings with community representatives showed that 50% of the population boils their water, a further 25% also adds chlorine to it, and the remaining 25% does not use any disinfection method at all. During the sessions at the elementary school, it was observed that children from the first and second grades were much more receptive and showed more interest in the method than children above 10 years old. A follow-up visit was carried out at the school and it was observed that, due to unfavorable meteorological conditions (prevalence of cloudy days during the months between August and November), the method has not been fully implemented at the school.

Time (minutes)

solar photocatalysis

MPN

/100

mL

Rad

iatio

n W

m-2

Rad

iatio

n W

m-2

MPN

/100

mL

solar photocatalysis

Time (minutes) Time (minutes)


224

Figure 7a. Re-growth of total coliforms Figure 7b. Re-growth of fecal coliforms

The results obtained from the quantification of coliforms and the field parameters measured at the wells of the Juan N. Álvarez community are summarized in table 5:

Table 5. Results of the analysis of different wells located in the town of “Juan N. Álvarez”

Well pH Temp.

(°C)

Conductivity

(µS cm-1)

Total coliforms

(MPN/100 mL)

Fecal coliforms

(MPN/100 mL)

La Palmita

(main)

5.4 30.0 93.0 770 23

Tommy 6.2 31.4 517 Zero Zero

La Tortuguita

5.7 32.6 340 Zero Zero

Los Marineros

6.2 32.8 236 Zero Zero

Doña Alfa 6.1 32.3 216 12 Zero

NOM-127-SSA1

6.5-8.5 -- * Zero Zero

* The value shown does not correspond to conductivity, but to TDS (total dissolved solids), whose limit is 1000 mg L-1.

CONCLUSIONS

Laboratory tests showed that disinfection by solar photocatalysis with TiO2 requires 30 minutes to reduce coliform concentration to zero, whereas the SODIS process requires more than 60 minutes to achieve that same result. No re-growth was observed during seven days for the samples treated by solar photocatalysis with TiO2, whereas the samples treated with SODIS presented re-growth from the first day of storage. Field tests

MPN

/100

mL

MPN

/100

mL

Time (days)

solar photocatalysis solar photocatalysis

Time (days)


225

were very satisfactory; a complete removal of fecal and total coliforms was achieved after 30 minutes of solar irradiation, the starting concentrations being those typically found in natural contaminated waters in Mexico.

REFERENCES

APHA (1998): Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th edition. American Public Health Association/American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.

Guerrero, V., Sánchez, M. and García F.A. (2006): Diagnóstico microbiológico de la calidad de agua en Playa Ventura municipio de Copala, Guerrero. México. Congreso Internacional y Nacional de Ciencias Ambientales. Oaxtepec, Mor.

Gelover, S., Mondragón, P., Jiménez, A. (2004): Titanium dioxide sol-gel deposited over glass and its application as a photocatalyst for water decontamination. J. Photochem. Photobiol. 165, 241-246.

Juang, Der-Fong, Morgan, J.M. (2001): The applicability of the API 20E and API Rapid NFT systems for the identification of bacteria from activated sludge. J. Biotechnol. 4, 11-17.

http://www.guerrero.gob.mx Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Síntesis de Indicadores

Sociodemográficos, 2000. World Health Organization (1995): Guías para la calidad del agua potable, 2nd edition.

World Health Organization.


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8

Desinfección de agua mediante SODIS y Fotocatálisis Solar en la comunidad de San José de Los Laureles, Estado de Morelos, México



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RESUMEN

Se introdujo la desinfección de agua mediante SODIS y fotocatálisis solar en la comunidad de San José de Los Laureles, perteneciente al municipio de Tlayacapan, Mor. Se aprovecharon los mecanismos existentes de convocatoria, asistencia y capacitación generados por el programa “Oportunidades” de asistencia a la población de extrema pobreza. Al mismo tiempo que se les impartió la capacitación en desinfección de agua, se hizo hincapié en la comunidad de la necesidad de mayor saneamiento para reducir el impacto por las enfermedades gastrointestinales.

INTRODUCCIÓN

LOCALIZACION

El poblado de San José de Los Laureles se encuentra dentro del municipio de Tlayacapan en el estado de Morelos, México. Cuenta con 1090 habitantes aproximadamente, de los cuales el 90%, tiene como actividad principal la agricultura y ganadería. La fuente única de abastecimiento de agua de la comunidad completa es un pozo. De éste el agua es repartida al pueblo mediante tuberías y por tandeo.


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El Municipio de Tlayacapan se encuentra localizado en la parte noreste del Estado de Morelos; entre los paralelos 18°57’ N y 98°59’ O. Posee una extensión territorial de 84140 kilómetros cuadrados. Sus colindancias son las siguientes: al norte, con el municipio de Tlalnepantla y Totolapan; al sur, con el municipio de Yautepec y Cuautla; al este con el municipio de Totolapan y Atlatlahucan; al oeste con el municipio de Tepoztlán y Yautepec; la distancia aproximada hacia la capital del Estado, es de 60 km.

Tlayacapan se localiza dentro de la zona conurbana del centro del país, para la que existe una política de reordenamiento y regulación.

En el Plan Estatal de Desarrollo Urbano del Estado de Morelos, el municipio de Tlayacapan forma parte de la subregión Yautepec junto con las comunidades de Amatlipac, Cuauhtempan, Los Laureles y Pantitlán. Para el año 2000 se contempla a Tlayacapan en el sistema de ciudades que tenga un nivel medio de servicios.

Extensión. Cuenta con una superficie total correspondiente al 1,25% del total estatal; está integrado por 23 localidades, registrando una densidad de población de 193,63 habitantes por kilómetro cuadrado.

Orografía. Tlayacapan se encuentra rodeado por una cadena de cerros: por el sur, se encuentra ubicado el cerro de la "Ventanilla", el "Sombrerito" o "Yakatl" (nariz); por el oeste, el cerro de "Huixtlalzink", "Tlatoani" y el "Ziualopapalotzink" (mariposita señora) el más alto tiene 505 metros de altura; por el noroeste, el cerro de "Tezontlala", "Cuitlazimpa" y "Tepozoco"; por el norte, la loma de la "Amixtepec", a una altura de 1635 m sobre el nivel del mar.

Hidrografía. El Municipio de Tlayacapan carece de ríos y arroyos naturales, ya que sólo cuenta con las corrientes de las barrancas que descienden de la cordillera Neovólcanica, en arroyos de caudal temporal entre las que se pueden mencionar la del "Tepanate", "Chicotla" Huiconchi" (Tlacuiloloapa), la de la "Plaza", "Santiago" y el Tezahuate Se cuenta además con Jagueyes considerados como ollas para almacenar agua como "Coatetechal" que ya no existe, "Nacatonco" o de los animales, "Chauxacacla", "Suchuititla" "El Sabino" "Tenanquiahuacl" y el de "Atenexapa", que ya no existe y que se encontraba por el puente de la Cortina.

Clima. Tlayacapan se encuentra a 1636 metros sobre el nivel del mar; por lo tanto, su clima es templado subhúmedo y semicálido con lluvias en verano. Su temperatura media es de 19 °C; la máxima media es de 30 °C; la mínima media es de 9 °C; y la mínima absoluta de 3 °C bajo cero. Su clima es templado, muy agradable y sobre todo saludable, lugar apropiado para la construcción de instituciones de recuperación y asilos de ancianos. Los vientos corren del sur al norte.

PERFIL SOCIODEMOGRÁFICO

Grupos étnicos. En 2000, la presencia indígena en el municipio corresponde a 784 habitantes hablantes de lengua indígena, lo que representa el 6,61% de la población municipal.


229

Evolución demográfica. En el Municipio de Tlayacapan, la migración se puede decir que es nula, pero es muy elevada la inmigración, principalmente del Estado de Guerrero, Oaxaca, Puebla y muy poca de otros estados.

De acuerdo al XII Censo General de Población y Vivienda 2000 efectuado por el INEGI, la población total del municipio es de 13851 habitantes, de los cuales 6893 son hombres y 6958 son mujeres. La población total del municipio representa el 0,89 por ciento, con relación a la población total del estado.

INFRAESTRUCTURA SOCIAL Y DE COMUNICACIONES

Educación. La Tabla 1 indica la población estudiantil y docente del lugar.

Tabla 1. Población estudiantil y docente del lugar

Nivel Alumnos Profesores Aulas

Educación básica 2672 120 101

Educación a nivel medio superior 80 15 6

Salud. La demanda de los servicios médicos de la población del municipio es atendida por dos centros de salud de la Secretaría de Salud y un puesto periférico del ISSSTE, donde atienden cuatro médicos. No existen clínicas particulares pero hay 8 médicos particulares de medicina general y un pediatra. Los consultorios particulares proporcionan servicios de consulta externa y medicina general; también cabe mencionar que existen cuatro farmacias bien surtidas.

Vivienda. De acuerdo a los resultados preliminares del Censo General de Población y Vivienda 2000 llevado a cabo por el INEGI, en el municipio existen 2937 viviendas que son habitadas por 13851 personas. La mayoría son propias de tipo fijo; los materiales utilizados para la construcción son el tabique y cemento y existen otras de adobe y teja.

Servicios públicos. Los servicios públicos, correspondientes solamente a la Cabecera Municipal, que cubre el 90% de la demanda, son los indicados en la Tabla 2, de acuerdo a la apreciación del Ayuntamiento:


230

Tabla 2. Servicios públicos

Servicio Porcentaje

Viviendas agua potable 95

Alumbrado públicos 100

Mantenimiento de drenaje 70

Recolección de basura y limpieza de las vías públicas 80

Seguridad pública 60

Mercados y centrales de abastos 80

ACTIVIDAD ECONÓMICA

Principales Sectores, Productos y Servicios

Agricultura. Las actividades agropecuarias en Tlayacapan son de vital importancia puesto que el 90% de la población se dedica a la agricultura. Se localizan contados huertos familiares pero no de gran importancia.

Ganadería. Un 2% de la población se dedica a la ganadería.

Industria. En el municipio de Tlayacapan es digna de mencionar la industria de la cerámica o la alfarería en todo el barrio de Texcalpa, formando un porcentaje del 1% de la población.

Turismo. Es muy importante debido a sus condiciones naturales y además por contar con dos museos, uno de arte religioso y otro de la casa de la cultura “Cerería”, con exposiciones temporales. Se cuenta además con una posada turística y un restaurante, “Los Emilianos”. Se considera que a esta actividad se dedica un 25% de la población.

Comercio. En el municipio de Tlayacapan se cuenta con 23 tiendas.

Servicios. Se considera un 5% de la población.

La Tabla 3 indica la población económicamente activa.


231

Tabla 3. Población económicamente activa por sector

Sector Porcentaje

Primario (agricultura y ganadería) 91.7

Secundario (industria, principalmente alfarería) 1.00

Terciario (turismo, comercio y servicios) 7.3

METODOLOGÍA

Se tomaron muestras de agua en la comunidad San José de Los Laureles en el pozo de agua, la cisterna de almacenamiento y en algunas de las casas de los habitantes (Figura 1). Se analizaron en el laboratorio para diagnosticar el grado de contaminación bacteriológica mediante la técnica de sustrato cromogénico (APHA, 1998).


232

Figura 1. Toma de muestras en diferentes sitios de “San José de Los Laureles”

RESULTADOS

En trabajo conjunto con la Comisión de Áreas Naturales Protegidas se visitó en repetidas ocasiones la comunidad de San José de Los Laureles en Tlayacapan, Morelos. Se dio capacitación a las mujeres agrupadas en el marco del programa federal de apoyo a la pobreza conocido como “Oportunidades”. Se realizaron talleres de prácticas de higiene y salud, tratando además el tema de desinfección solar de agua por SODIS y fotocatálisis. En este caso se impartió el curso a 60 mujeres de esta comunidad dividido en dos sesiones.


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Además se realizó un taller adicional donde participaron integrantes líderes de la comunidad y ejidatarios encabezados por el representante del pueblo Prof. Francisco Polanco.

Figura 2. Talleres a personas de la comunidad “San José de Los Laureles”

Los análisis de las muestras de agua tomadas en el pozo, la cisterna de almacenamiento y algunas de las casas de los habitantes, revelaron que no había presencia ni de coliformes totales ni de coliformes fecales, es decir el agua estaba libre de contaminación bacteriológica. Sin embargo, por interés de la comunidad y sus representantes, se realizaron los talleres y cursos sobre higiene y desinfección solar de agua, a los cuales los habitantes mostraron mucho interés (Figura 2).


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CONCLUSIONES

A pesar del interés de la comunidad y la concientización sobre los riesgos sanitarios de agua no desinfectada, NO se está aplicando el SODIS de manera regular. Se le hizo conciencia a la población de que ésta es una herramienta que pueden utilizar en caso de emergencia, donde la desinfección se haga imprescindible por factores como cambio de fuente de abastecimiento, ausencia de cloración, fugas en el sistema de distribución, etc.

REFERENCIAS

APHA (1998): Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th ed. American Public Health Association/American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.

http://www.e-local.gob.mx http://www.e-morelos.gob.mx Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Gobierno del Estado de

Morelos, Anuario Estadístico del Estado de Morelos año 2000, Cuernavaca, Mor., 2000.


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8

Water disinfection by SODIS and Solar Photocatalysis in the community of San José de Los Laureles, State of Morelos, Mexico



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SUMMARY

Water disinfection by SODIS and heterogeneous photocatalysis was introduced in the community of San José de Los Laureles, in the municipality of Tlayacapan, Mor. The existing convening, attendance and training mechanisms created by the program “Opportunities” to assist extremely poor inhabitants were exploited. Inhabitants were trained in water disinfection techniques and at the same time the community as a whole was educated regarding the need of greater sanitation measures to reduce the impact of gastrointestinal diseases.

INTRODUCTION

LOCATION

The town of San José de Los Laureles is in the municipality of Tlayacapan, in the State of Morelos, Mexico. It has 1,090 inhabitants approximately, 90% of whom develop agricultural and stockbreeding activities. The only water supply source for the whole community is one well. Its water is distributed to the inhabitants by means of pipes and in batches.


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The municipality of Tlayacapan is located in the northern region of the State of Morelos, between parallels 18°57’ N and 98°59’ W. Its territorial extension spans over 84,140 square kilometers. It borders with the following: to the north, with the municipalities of Tlalnepantla and Totolapan; to the south, with the municipalities of Yautepec and Cuautla; to the east, with the municipalities of Totolapan and Atlatlahucan; and to the west with the municipalities of Tepoztlán and Yautepec. The approximate distance to the capital of the State is 60 km.

Tlayacapan is located within the conurbation area of the center of the country, which has a reorganization and control policy.

In the State Urban Development Plan of the State of Morelos, the municipality of Tlayacapan is part of the sub-region of Yautepec together with the communities of Amatlipac, Cuauhtempan, Los Laureles and Pantitlán. For the year 2000, Tlayacapan is considered for inclusion in the system of cities with an average level of services.

Extension. Its total surface is 1.25% of the total of the State; it is composed by 23 communities and its population density is 193.63 inhabitants per square kilometer.

Orography. Tlayacapan is surrounded by a range of hills: to the south, it is bordered by the hill "Ventanilla" (little window), "Sombrerito" (little hat) or "Yakatl" (nose); to the west, the hills "Huixtlalzink", "Tlatoani" and "Ziualopapalotzink" (madam little butterfly), the highest with 505 meters; to the northeast, the hills "Tezontlala", "Cuitlazimpa" and "Tepozoco"; to the north, the hill "Amixtepec", with a height of 1,635 m above sea level.

Hydrography. The municipality of Tlayacapan lacks natural rivers or springs, since it only has the currents running down the ravines of the Neovolcanic mountain range as transient springs, among which those of "Tepanate", "Chicotla", "Huiconchi" (Tlacuiloloapa), "Plaza", "Santiago" and "Tezahuate" can be mentioned. There are also earthen dikes, which are considered as ponds to store water for humans, for example "Coatetechal" – which no longer exists – and "Nacatonco" or for animals, such as "Chauxacacla", "Suchuititla", "El Sabino", "Tenanquiahuacl" and "Atenexapa", which no longer exists and was located near the Cortina bridge.

Climate. Tlayacapan is at 1,636 meters above sea level, and its climate is therefore temperate, sub-humid and semi-warm with rains during the summer. The average temperature is 19 °C, the average maximum is 30 °C, the average minimum is 9 °C, and the absolute minimum is 3 °C below zero. Climate is temperate, very nice and, above all, healthy. The location is suitable for the construction of recovery institutions and retirement homes for the elderly. Winds run from south to north.

SOCIODEMOGRAPHIC PROFILE

Ethnic groups. In the year 2000, the aboriginal population in the municipality was 784 inhabitants who spoke Indian tongues, which represented 6.61% of the total population of the municipality.


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Demographic evolution. Migration in the municipality of Tlayacapan is almost null, but immigration, mainly from the States of Guerrero, Oaxaca, Puebla and from other states to a lesser extent.

According to the XII General Population and Housing Census 2000, carried out by the INEGI (Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, National Institute of Statistics, Geography and Information), the total population of the municipality is 13,851 inhabitants, with 6,893 male and 6,958 female. The total population of the municipality represents 0.89% of the total population of the State.

SOCIAL AND COMMUNICATIONS INFRASTRUCTURE

Education. Table 1 shows student and teacher populations. Table 1. Student and teacher population

Level Students Teachers Classrooms

Basic education 2,672 120 101

High school and higher education 80 15 6

Health. The demand for medical services by the population of the municipality is served by two health centers dependent on the Secretary of Health and a peripheral health dependency of the ISSSTE (Instituto de Seguridad y Servicios Sociales de los Trabajadores del Estado, Institute of Security and Social Services of State Workers) with four doctors. There are no private clinics but there are 8 general-medicine doctors and one pediatrician who have their own practices. These private practices provide external consultation and general medicine services. There are also four well-supplied pharmacies.

Housing. According to the preliminary results of the XII General Population and Housing Census 2000 carried out by the INEGI, there are in the municipality 2,937 houses inhabited by 13,851 people. Most are owned by their dwellers and are built with cement and partition walls, and there are some made of adobe and tiles.

Public services. Public services corresponding to the head the municipality and covering about 90% of the demand are listed in Table 2, according to the City Hall.


238

Table 2. Public services

Service Percentage

Houses with running water 95

Street lighting 100

Drainage maintenance 70

Garbage collection and public spaces cleaning 80

Public safety 60

Markets and central markets 80

ECONOMIC ACTIVITY

Main sectors, products and services

Agriculture. Agricultural activities in Tlayacapan are critical because 90% of the population works in this area. There are some family orchards but they are not very important.

Stockbreeding. 2% of the population develops stockbreeding activities.

Industry. The ceramic industry is important in the municipality of Tlayacapan, and pottery in the neighborhood of Texcalpa, with 1% of the population working in this sector.

Tourism. Tourism is important due to the natural conditions of the region and the added attraction of two museums, one relating to religious art and the other relating to wax and candlemaking that carries transient exhibitions. There is also a tourist hostel and a restaurant called “Los Emilianos”. Approximately 25% of the population works in this sector.

Commerce. There are 23 stores in the municipality of Tlayacapan.

Services. 5% of the population.

Table 3 shows the percentages of economically active population.


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Table 3. Economically active population per sector.

Sector Percentage

Primary (agriculture and stockbreeding) 91,7

Secondary (industry, mainly pottery) 1,00

Tertiary (tourism, commerce and services) 7,3

METHODOLOGY

Water samples were taken in the community of San José de Los Laureles from the water well, the storage cistern and some family houses (Figure 1). They were analyzed at the laboratory to asses the level of bacteriological contamination by the chromogenic substrate technique (APHA, 1998).


240

Figure 1. Sampling activities at different sites in “San José de Los Laureles”

RESULTS

Working in collaboration with the Commission of Protected Natural Areas, the community of San José de Los Laureles en Tlayacapan, Morelos was visited several times. Women groups were trained within the federal program of support to poverty known as “Opportunities”. Hygiene and health practical workshops were carried out, and the topic of solar disinfection of water by SODIS and photocatalysis was presented. In this case, a course was given to 60 women from the community divided into two sessions.


241

In addition to this, a workshop was carried out that counted with the participation of community leaders and owners of shares in common lands, led by the communal representative, Prof. Francisco Polanco.

Figure 2. Workshops given to inhabitants of the community “San José de Los Laureles”

The analyses of water samples taken from the well, the storage cistern and some family houses revealed that there were no total or fecal coliforms present, that is, the water was free from bacteriological contamination. However, in answer to the great interest of the community and its representatives, workshops and courses on hygiene and solar disinfection of water were carried out (Figure 2).


242

CONCLUSIONS

Despite the interest shown by the community and the awareness about the sanitary risks of consuming non-disinfected water, SODIS is NOT being used on a regular basis. The population was informed that this is a tool they can use in case of emergency where disinfection is indispensable due to factors such as a change of supply source, lack of chlorination, leaks in the distribution system, etc.

REFERENCES

APHA (1998): Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th ed. American Public Health Association/American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.

http://www.e-local.gob.mx http://www.e-morelos.gob.mx Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Gobierno del Estado de

Morelos, Anuario Estadístico del Estado de Morelos año 2000, Cuernavaca, Mor., 2000.

S. Gelover, M.T. Leal Ascencio y J.B. Tonnerieux

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Implementación de la remoción de arsénico por oxidación solar en México



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RESUMEN

Se probó la efectividad del método de remoción de arsénico (III y V) con energía solar a tres diferentes concentraciones de hierro, 5 concentraciones de jugo de limón, 4 concentraciones de dureza y diversos tiempos de remoción. Las mejores condiciones de remoción en pruebas de laboratorio, correspondieron a una eficiencia cercana al 80% con 10 mg L-1 de hierro, 0,6 mL L-1 de jugo de limón, exposición de 3 horas y dureza mayor a 200 mg L-1. Una vez probadas las condiciones de mejor eficiencia de remoción, se procedió a realizar la experimentación en campo. Se seleccionaron dos sitios de los estados de San Luis Potosí y Zacatecas, debido a que se tenían antecedentes de presencia de arsénico en pozos con concentraciones entre 300 y 900 µg L-1 de arsénico. En estos sitios se realizaron experiencias de remoción de arsénico a las condiciones locales. Los resultados mostraron que el sistema remueve más del 95% de arsénico, a durezas entre 200 y 1000 mg L-1 de CaCO3. La concentración remanente de arsénico fue menor al límite establecido en agua para consumo humano en México, que es de 25 µg L-1, con lo que se concluye que el método es efectivo para reducir la exposición y con ello el riesgo en salud de la población por ingestión de arsénico.

INTRODUCCIÓN

Arsénico

El arsénico existe en diversas formas químicas en el ambiente, con una toxicidad asociada a la forma particular de arsénico al cual se está expuesto. El arsénico orgánico es en general no tóxico y las especies inorgánicas, sean tri- o pentavalentes, se asocia con efectos tóxicos agudos y crónicos. El origen de esta contaminación en el agua puede ser natural o antropogénica. En la mayoría de los casos, la contaminación es natural. El


244

arsénico puede disolverse en agua desde sedimentos a través de procesos bio-geoquímicos, contaminando acuíferos, ríos y lagos (Merian, 1991). La contaminación artificial es consecuencia de actividades mineras, agrícolas, textiles, tintes, aleaciones, conservadores de madera, pigmentos, aplicaciones farmacológicas, entre otras (Dojlido y Best, 1993).

Existen muchos efectos sobre la salud como consecuencia de la ingestión de contaminantes inorgánicos, entre ellos, metales y metaloides. En el ser humano, los daños a la salud están relacionados con perturbaciones al sistema nervioso central y periférico. En el caso de metales, cuando las concentraciones son bajas, el contaminante es acumulado por el organismo, y los efectos que produce no permiten identificar fácilmente el problema.

El arsénico está ampliamente distribuido por toda la corteza terrestre combinado en forma natural con otros metales, principalmente Cu, Pb, Zn, Co, Ni, Fe, Ag y Au. Se encuentra en estado no combinado en asociación con otras aleaciones de metales, particularmente antimonio y plata. Con frecuencia, se presenta como sulfuro por la fuerte afinidad que tiene con azufre, pero a veces se encuentra como óxido. Los minerales principales del arsénico son el realgar (AsS), orpimenta (As2S3), arsenolita (As2O3) y arsenopirita (FeAsS). Se obtiene como un subproducto en la fundición de minerales metálicos, arsenopirita o minerales sulfurosos arsénicos. Se utiliza comercialmente como insecticida, rodenticida, agentes de aleación (productos que facilitan la formación de aleaciones metálicas), medicamentos veterinarios, conservadores de fruta y madera, pigmentos, cerámica y pintura, compuestos pirotécnicos y en la industria electrónica de semiconductores. Se presenta en el agua procedente de efluentes industriales, de erupciones volcánicas o de la disolución de minerales y menas, que es el mineral de contenido metálico tal y como se extrae del criadero y que puede dar lugar a la explotación económica (Dojlido y Best, 1993). En algunas zonas, como resultado de la composición geológica, las concentraciones que existen naturalmente en el agua subterránea son elevadas, como es el caso de la zona de estudio.

El arsénico presenta cuatro estados de oxidación bajo condiciones normales siendo las más comunes sus estados trivalentes (arsenitos) y pentavalentes (arseniatos). En aguas naturales de pH 5 a 9 predominan las especies H2AsO4, HAsO4

2-, H3AsO3, H2AsO3

-. Las condiciones que favorecen la oxidación química y biológica inducen el cambio a especies pentavalentes y, a la inversa, aquellas que favorecen la reducción cambiarán el equilibrio al estado trivalente.

La ionización de arsénico está expresada por la constante de disociación, pKa, cuyos valores para el arseniato y arsenito son:

Arseniato: (H3AsO4): pK1 = 2,2 pK2 = 6,94 pK3 = 11,5

Arsenito: (H3AsO3): pK1 = 9,2 pK2 = 14,22* pK3 = 19,22*

*valores extrapolados

Como puede observarse, las constantes de disociación para el As(V) son menores que las del As(III), por lo que su grado de disociación es más elevado. La capacidad de ionización del As(V) le permite combinarse fácilmente con otros compuestos, lo cual hace que su remoción por diversos métodos sea más eficiente, en comparación con la del As(III); de ahí la importancia de oxidar el arsenito antes de someter el agua a algún


245

tipo de tratamiento. Los cambios en el estado de ionización para el arseniato y el arsenito ocurren a diferente pH, tal como se observa en la Figura 1.

Eh

-0.8-0.6-0.4-0.2 00.20.40.60.8

11.2

2 4 6 8 10 12 14

Agua con poderoxidativoH3AsO4

H2AsO4-

H3AsO3

HAsO4-2

AsO4-3

AsO5-3

H2AsO3-

HAsO3-2

Agua con poder reductivo

pH

Figura 1. Distribución de las especies de arsénico en función de pH – Eh

De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, 50 µg As L-1 no tienen efecto en la salud y el riesgo de cáncer es incierto. En poblaciones que consumen agua con altas concentraciones de arsénico, se ha observado una incidencia relativamente elevada de cáncer de la piel y, posiblemente, de otros tipos, que aumentan con la dosis y la edad. Exposiciones crónicas provocan daños cardíacos; por ingestión, causa dolor abdominal, vómito, disminución del apetito, debilidad, diarrea y estreñimiento alternados, neuritis, dermatitis y caída de pelo (Jiménez, 2001). La exposición a arsénico produce cáncer de piel, hiperpigmentación y queratosis de la misma (Figura 2), tumores de piel, pulmón, órganos genitales y órganos visuales. Diferentes análisis estadísticos indican que el riesgo de presentar cánceres internos, especialmente de vejiga y cáncer de pulmón, asociados a una concentración de 50 µg L-1 de arsénico en el agua es del orden de 1 a 2 x 10-2, como riesgo teórico, asumiendo que la exposición es continua por 70 años y se consumen 2 litros de agua al día (Wang, 1994).


246

La eliminación natural del organismo humano es por vía urinaria, heces, sudor y epitelio de la piel (descamación).

Figura 2. Efectos en piel causados por la ingestión crónica de arsénico

Dureza total

La dureza del agua no es un constituyente específico sino una mezcla compleja y variable de cationes y aniones. La dureza es debida predominantemente a calcio y magnesio, aunque contribuyen estroncio, bario y otros iones polivalentes. La dureza es expresada comúnmente como carbonato de calcio en mg L-1. Tradicionalmente, la dureza es una medida de la capacidad del agua para reaccionar con jabón y formar espuma. Se divide como dureza temporal o carbonatada, que puede ser removida por precipitación o ebullición, y permanente o no carbonatada, la cual no se remueve por ebullición.

El calcio y el magnesio son elementos comunes presentes en muchos minerales. Las fuentes más comunes son las calizas, yesos, dolomitas y calcitas. También provienen de gran número de productos industriales, y son constituyentes comunes de los alimentos. Una contribución menor a la dureza total es hecha por iones como zinc, manganeso, aluminio, estroncio, bario y hierro, disueltos de minerales como esfarelita, armangita, bauxita, estroncianita y fosfosiderita.

Aunque la mayoría de los compuestos de calcio no son fácilmente solubles en agua pura, la presencia de dióxido de carbono incrementa su solubilidad y las fuentes de agua que contienen más de 100 mg de calcio por litro son bastante comunes. Igualmente, es común encontrar magnesio en concentraciones de hasta 10 mg L-1. Solamente el alimento y el agua son fuentes mayoritarias de calcio y magnesio, mientras que fuentes como cigarrillo, polvo, exposición ocupacional y el aire son fuentes irrelevantes.


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Tanto el calcio como el magnesio son elementos necesarios para los organismos vivos, por lo que su toxicidad es muy baja, y esta condición de toxicidad se presenta a concentraciones tan altas que es raro encontrarla en el ambiente. Sin embargo, se han observado en algunas circunstancias efectos negativos por exceso por ejemplo de magnesio, y las observaciones se relacionan a un desequilibrio entre los cationes calcio, potasio y/o zinc con relación a magnesio, no tanto por un exceso de magnesio. Los efectos pueden ser somnolencia, inhibición de la función autónoma con efecto sobre el sistema nervioso central, hipotonia, bradicardia, descenso en la presión sanguínea y eventualmente arritmia cardíaca (Merian, 1991).

Hay alguna evidencia que sugiere que la ingestión de agua de dureza extrema incrementa la incidencia de urolitiasis. Sin embargo, no hay datos que permitan tener resultados concluyentes al respecto. Por otro lado, se ha relacionado la presencia de dureza en el agua a una correlación alta negativa con la presencia de enfermedades cardiovasculares. Esto es, que la incidencia de estos padecimientos se relaciona positivamente con la ingestión de agua blanda. El factor más significativo fue la presencia de magnesio. En estudios posteriores, se demostró que la relación es cierta si la dureza es mayor a 170 mg L-1 y no a concentraciones menores. La razón de esta relación no ha sido aclarada. Es posible que esté relacionada con que la presencia de magnesio en mayor proporción protege contra depósitos de lípidos en las arterias o actúa como anticoagulante, a que un aumento leve en el contenido de calcio en la dieta disminuye los niveles de colesterol en sangre, al papel protector de otros elementos como litio, cromo, vanadio y manganeso o a la lixiviación a partir de las tuberías de elementos dañinos como plomo y cadmio, cuando el agua es blanda (AWWA, 1991).

Por otro lado, se han publicado reportes que señalan la dureza del agua como un factor de aparición de defectos del sistema nervioso, anencefalia, mortalidad perinatal y varios tipos de cáncer, pero estas asociaciones pueden reflejar patrones de enfermedades que se explican por factores sociales, climatológicos y ambientales, más que por la dureza misma del agua (OMS, 1984).

ANTECEDENTES

Localización. La zona de estudio comprende acuíferos de los estados de Zacatecas y San Luis Potosí, contenidos en dos acuíferos principales, en los cuales se ha presentado la problemática de contenido elevado de arsénico en épocas recientes.

La necesidad del estudio se desprende de la presencia de arsénico en las aguas subterráneas de la zona de estudio. En los pozos estudiados se sospecha o se desea confirmar la presencia de arsénico, así como la presencia de otros contaminantes metálicos y determinar la posibilidad de remoción a través de oxidación solar.

Clima. El clima en toda la región es seco o muy seco, de acuerdo a la Figura 3. El clima seco se encuentra en la mayor parte del centro y norte del país, región que comprende el 28,3% del territorio nacional; se caracteriza por la circulación de los vientos, lo cual provoca escasa nubosidad y precipitaciones de 300 a 600 mm anuales, con temperaturas en promedio de 22 °C a 26 °C en algunas regiones, y en otras de 18 °C a 22 °C. El clima muy seco registra temperaturas en promedio de 18 °C a 22 °C, con casos extremos de más de 26 °C, presentando precipitaciones anuales de 100 a 300 mm en


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promedio. Al ser la precipitación tan escasa, la disponibilidad de agua es muy baja, siendo las aguas subterráneas las únicas fuentes disponibles en la región (Figura 4).

Figura 3. Climas

predominantes en México

Figura 4. Promedio anual de precipitación en la región

Fisiografía. En cuanto a la fisiografía se ha dividido al país en 15 provincias. Una de ellas, la Mesa Central enmarca la zona de estudio (Figura 5). La geología de la región - la porción norte y noreste de México - está constituida principalmente por rocas


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sedimentarias mesozoicas y cenozoicas, así como por depósitos continentales recientes, que cubren gran parte de la Mesa Central, Sierras y Cuencas del Norte, y la Paleocuenca de Burgos, esta última cenozoica. En diversas localidades, se tienen pequeñas ventanas de rocas metamórficas, principalmente del Precámbrico y Paleozoico. Un rasgo importante en esta zona de México es la Sierra Madre Oriental, cuya formación se inicia a mediados del Mesozoico y culmina al inicio del Cenozoico.

Figura 5. Provincias fisiográficas en México

Zacatecas

La región estudiada en el estado de Zacatecas pertenece al municipio de Guadalupe. El municipio de Guadalupe se encuentra a 23°04’00’’ N y 103°10’60’’ O y 2138 metros de altitud. Cuenta con 108000 habitantes distribuidos en comunidades como Guadalupe -convertido en municipio conurbado a la capital Zacatecas-, Trancoso, Tacoaleche, Zóquite, Bañuelos, Cieneguita, Santa Rita, San Ramón, El Porvenir y Santa Mónica. El 60% de la población del municipio habitan en la cabecera municipal, Guadalupe.

Población. La población total del municipio se distribuye en 22000 viviendas que en promedio tienen 4,8 ocupantes. El 63% de las viviendas pertenecen a la localidad de Guadalupe, cabecera municipal, que por ser conurbana a Zacatecas tiene buena cobertura de servicios, de modo que 96,98% de las viviendas habitadas tiene disponibilidad de energía eléctrica, 90,95% tiene agua entubada y 80,02% cuenta con drenaje.

Actividad económica. La actividad económica se basa en los servicios, seguida por la actividad agropecuaria y la construcción (Tabla 1).


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Tabla 1. Aspectos económicos del municipio de Guadalupe, Zac.

DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN POR OCUPACIÓN

Nº. personas % Estado % Mpio./Edo. %

Fuerza de trabajo

54629 100,0 852021 100,0 6,4

Población econ. activa

22,7 41,6 306734 36,0 7,4

Ocupada 22141 97,5 294458 96,0 7,5

Desocupada 559 2,5 12276 4,0 4,6

Población econ. inactiva

30764 56,3 531671 62,4 5,8

No especificada 1165 2,1 13616 2,6 8,6

DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN POR RAMA ECONÓMICA

Nº. personas % Estado % Mpio./Edo.%

Población ocupada

22141 100,0 294458 100,0 7,5

Agropecuario 3702 16,7 117187 39,8 3,2

Minería 253 1,1 7052 2,4 3,6

Industria 2118 9,6 27318 9,3 7,8

Construcción 3614 16,3 28884 9,8 12,5

Comercio 2603 11,8 29625 10,1 8,8

Transporte 799 3,6 6879 2,3 11,6

Servicios 8137 36,8 68072 23,1 12,0

No especificado 915 4,1 9441 3,2 9,7

Población desocupada

559 - 12276 - 4,6


251

Tabla 1. Continuación.

POBLACIÓN POR NIVELES DE INGRESO


Niveles de ingreso

22141 100,0 294458 100,0 7,5

No recibe ingresos

1,21 5,5 51797 17,6 2,3

Hasta 1 salario mínimo

3562 16,1 62094 21,1 5,7

De 1 a 3 salarios mínimos

13156 59,4 132936 45,1 9,9

De 3 a 5 salarios mínimos

2087 9,4 18955 6,4 11,0

Más de 5 salarios mínimos

13333 6,0 13444 4,6 9,9

No especificado 793 3,6 15232 5,2 5,2

FUENTE: INEGI, XII Censo General de Población y Vivienda 2000.

Sectores de producción. La agricultura se basa en el cultivo de frijol, avena de forraje, chile seco, manzanas, vid, zanahoria y alfalfa. La actividad pecuaria se centra en el ganado bovino, ovino y aviar aunado a importante producción de miel. La actividad minera más importante es la extracción de plata, mercurio y oro, seguida por plomo, zinc y cobre.

San Luis Potosí

En este estado se analizó agua del municipio de Villa Guadalupe, en la comunidad de Vallejo que tiene presencia importante de arsénico.

El municipio de Villa de Guadalupe se localiza en el altiplano del estado de San Luis Potosí. Tiene una población de 10378 habitantes distribuidos en 2093 viviendas en localidades de tamaño muy pequeño. La cabecera municipal tiene 1019 pobladores y todas las demás localidades como Zaragoza, Santa Teresa, Santa Isabel, Rancho Alegre, Guadalupito, Buenavista, Los Chilares, Jarillas y El Leoncito, tienen entre 300 y 600 habitantes. La disponibilidad de servicios es baja en el municipio, pues el 75% de las viviendas tienen energía eléctrica, 49,7% tienen agua entubada en el ámbito de la


252

vivienda y sólo 8,3% disponen de drenaje o fosa séptica. Estos datos contrastan con los promedios estatales de 88,45%, 76% y 52%, respectivamente.

Actividad económica. La ocupación de la población es eminentemente agropecuaria, con 59,69% de los habitantes económicamente activos dedicados a ella, seguida del rubro de la construcción (Tabla 2). Consecuentemente los salarios son bajos, recibiendo el 67.6% de la población un salario mínimo o menos. Destaca igualmente que el 62% de la población mayor de 12 años sea económicamente inactiva, hecho que se ha presentado en otros municipios de la región.

Tabla 2. Aspectos económicos del municipio de Villa de Guadalupe, S.L.P.

DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN POR OCUPACIÓN


Fuerza de trabajo 7343 100,0 1608645 100,0 0,46

Población econ. activa 2744 37,37 723454 44,97 0,38

Ocupada 2724 37,10 715731 44,49 0,38

Desocupada 20 0,27 7723 0,48 0,26

Población econ. inactiva 4587 62,47 879646 54,68 0,52

No especificada 12 0,16 5545 0,34 0,22


253

Tabla 2. Continuación.

DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN POR RAMA ECONÓMICA


Población ocupada 2724 100,0 715731 100,0 0,38

Agropecuario 1626 59,69 152565 21,32 1,07

Minería 16 0,59 3864 0,54 0,41

Industria 284 10,43 122113 17,06 0,23

Construcción 313 11,49 67613 9,45 0,46

Comercio 149 5,47 110514 15,44 0,13

Transporte 27 0,99 24732 3,45 0,11

Servicios 222 8,15 213454 29,82 0,10

No especificado 87 3,19 20876 2,92 0,42

Población desocupada 20 - 7723 - 0,38

POBLACIÓN POR NIVELES DE INGRESO


Niveles ingreso 2724 100,0 715731 100,0 0,38

No recibe 1376 - 88961 - 1,55

Hasta 1 salario mínimo 1843 67,66 207857 29,04 0,89

De 1 a 3 salarios mínimos 703 25,81 308383 43,09 0,23

De 3 a 5 salarios mínimos 40 1,47 88200 12,32 0,04

Más de 5 salarios mínimos 30 1,10 71205 9,94 0,04

No especificado 108 3,96 40086 5,60 0,27

FUENTE: INEGI, XII Censo General de Población y Vivienda 2000.


254

METODOLOGÍA

En una primera etapa se implementó la medición de arsénico con equipo portátil, útil en campo. La técnica está basada en la generación del hidruro de arsénico o arsina, que se hace reaccionar con bromuro de mercurio. Este compuesto tiene una coloración amarilla que puede llegar a ser parda. Se fija en almohadillas en las que se desarrolla el color y que se mide por medio de un fotómetro, de lo cual se calcula la concentración original. La selección de este método se hizo en base a la facilidad de medición y transporte del equipo a campo. De esta manera se posibilitó efectuar pruebas de remoción de arsénico en la zona de muestreo, así como la medición de la concentración inicial de arsénico en los pozos originalmente seleccionados.

Se implementó la técnica de remoción de arsénico por oxidación solar en laboratorio y se verificaron las condiciones óptimas para obtener una buena remoción, teniendo como variables la concentración de jugo de limón, de hierro y posteriormente la dureza del agua. Las concentraciones de limón y de hierro son las mismas que fueron utilizadas por otros autores para el mismo método (Wegelin y col., 2000; García y col., 2004; Kumari, 2006; Mansilla y col., 2003).

El procedimiento de exposición a la luz solar se inicia con el llenado de botellas PET de 1 a 2,5 L al 80%. Se añade el hierro, y después de 10 minutos el agua toma un color amarillo/pardo ya que el hierro (II) está siendo oxidado a (III). Se añaden 600 µL de jugo de limón (ó 4 a 8 gotas por litro). Se cierra la botella y se agita vigorosamente por 30 segundos para saturar de oxígeno el agua. La botella se expone a la acción directa del sol en una posición reclinada igual a la latitud local, por un lapso de varias horas. Se cambia la botella a una posición vertical para permitir la precipitación durante la noche o varias horas. Al siguiente día se filtra a través de un paño. El agua debe quedar sin coloración alguna. Se hace la medición de arsénico y se determina la eficiencia del proceso.

Una vez implementada a escala laboratorio la remoción con agua artificialmente contaminada con arsénico, se probó el método en el altiplano de México, donde se han detectado elevadas concentraciones de arsénico en agua para consumo humano en otros estudios (IMTA, 2002). Se midió en campo la concentración de arsénico, se sometió el agua a tratamiento probando diversas concentraciones y finalmente se procedió a determinar la efectividad del método. Un esquema general de la metodología se muestra en la Figura 6 (tomado de García y col., 2004).


255

Figura 6. Remoción de arsénico por foto-oxidación


Los principales resultados fueron muy positivos y con características que señalan que el método tiene excelentes posibilidades de aplicación en México. La técnica de campo para medir el arsénico durante los experimentos fue validada y presentó un error entre 9 y 22%, dependiendo del intervalo de concentración.

La remoción de arsénico en agua de bajo contenido de sales está limitada a un 60% si no hay dureza en la muestra o la dureza es menor a 200 mg L-1. Con una dureza total de 200 mg L-1 (como carbonato de calcio), la remoción de arsénico se incrementa a 80 %. A concentraciones mayores de este límite, la eficiencia de la remoción sigue aumentando ligeramente (Figura 7). Estos resultados se alcanzaron con un tiempo de exposición de cuatro horas.

4 a 8 gotas de jugo de limón (100-200 µL)


256

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600

Dureza total (mg/L Ca CO3)

Rem

oció

n de

ars

énic

o (%

)

Figura 7. Relación de remoción de arsénico y dureza total en agua

Para alcanzar eficiencias elevadas, mayores a 95%, el tiempo de exposición de las botellas a la radiación solar debe ser de al menos cinco horas. Con esto, es posible que el agua tratada alcance los niveles de arsénico que cumplan con la normatividad nacional para agua potable.

En cuanto a la concentración idónea de jugo de limón para la remoción, la mejor respuesta se obtiene con una dosis entre 400 y 600 µL L-1. La remoción de arsénico (III) es cercana a 60% para diferentes concentraciones de jugo de limón, mientras que para arsénico (V) la remoción es cercana a 80%. En ambos casos la concentración óptima de jugo de limón es de 500 µL L-1.

Los análisis realizados en este acuífero dieron como resultado lo presentado en las Tablas 3 y 4.

Tabla 3. Resultados de campo y localización de pozos en Zacatecas

Latitud norte Longitud oeste CE Temp. pH Pozo

Grados Min. Seg. Grados Min. Seg. µSi cm-1 °C

SR14 22 42 23,4 102 32 22,8 650 39,0 7,75

SR13 22 41 49,9 102 32 36 425 33,4 7,69

SR16 22 42 33,1 102 32 16 517 35,2 7,92


257

Tabla 4. Resultados de aniones y cationes de pozos en Zacatecas

Pozo SDT Dur. Cloruro Sulfato Flúor Arsénico Fosfato

SR14 436 238 42,8 70,7 2,92 0,463 0,65

SR13 328 190 20,7 38,8 2,85 0,592 0,64

SR16 386 214 30,3 55,8 2,96 0,425 ≤0,38

En agua de pozos de Zacatecas, con una dureza de 200 mg L-1 (medida como carbonato de calcio) y 366 µg L-1 de arsénico, se demostró una remoción de 96% al estimar la concentración final en 15 µg L-1.

Los análisis realizados en este acuífero dieron como resultado lo presentado en las Tablas 5 y 6, así como en la Figura 9.

Tabla 5. Resultados de campo y localización de pozos en Zacatecas

Latitud norte Longitud oeste CE Temp. pH Pozo

Grados Min. Seg. Grados Min. Seg. µSi cm-1 °C

S José Aguaje

23 22 5,1 100 37 12 1150 26,0 8,19

S Ant Barranca

23 19 35,4 100 39 57,7 700 24,8 8,71

Vallejo 23 7 1,7 100 32 44,9 2080 25,4 8,02

Tabla 6. Resultados de aniones y cationes de pozos en Zacatecas

Pozo SDT Dur. Cloruro Sulfato Flúor Arsénico Fosfato

S José Aguaje

1149 580 48,1 510 0,781 0,007 ≤0,38

S Ant Barranca

537 144 29,4 134 0,596 0,002 ≤0,38

Vallejo 2334 1653 25,5 1495 4,15 0,557 ≤0,38

En agua de pozos de San Luis Potosí con una dureza mayor a 1000 mg L-1 y una concentración inicial de 88 µg L-1 de arsénico, se demostró una remoción de 100% con cinco horas de exposición al sol, 500 µl L-1 de jugo de limón y 10 mg L-1 de hierro II (Figura 8).


258

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5

Tiempo de exposición (horas)

% d

e re

moc

ión

de a

rsén

ico

SR14 (Zacatecas)

Vallejo (San Luis Potosí)

Figura 8. Remoción de arsénico en agua de pozos del altiplano en México

El arsénico se precipita y puede ser removido de las botellas por reposo y decantación del agua o por filtración en papel o en un paño. El precipitado generado es sumamente estable y se ha demostrado por otros autores que la lixiviación del arsénico en el precipitado es muy limitada. Si bien esto facilita el manejo del arsénico en el precipitado, debe mantenerse en todo momento un manejo adecuado y ambientalmente correcto del mismo (Itle, 2001), (Camacho, 2004).


259

Figura 9. Toma de muestras en San Luis Potosí y Zacatecas

Estos resultados son similares a los reportados por Wegelin y col. (2000), Kahn y col. (2000), García y col. (2003) y Mansilla y col. (2003) en cuanto a la eficiencia del proceso se refiere. Se detectan diferencias en los tiempos de exposición, lo que sin duda está relacionado a la disponibilidad energética en cada sitio. Asimismo se perciben diferencias en cuanto a las concentraciones de jugo de limón. En este caso, la acidez de cada variedad de limón es diferente, por lo que en ello puede residir la variedad de concentraciones que se reportan.

CONCLUSIONES

La eficiencia es mayor que 95% si la dureza total del agua es mayor o igual a 200 mg L-1. En el caso de presencia de hierro en la fuente de abastecimiento, lo que es un caso común en estas regiones, es posible que no sea necesaria la adición de este elemento y que la precipitación ocurra con el hierro natural disponible en el agua.

Este es un método promisorio para la remoción de arsénico cuando se requiere de una técnica de aplicación en punto de uso y se carece de sistemas formales de distribución de agua o tratamiento de la misma. La zona de México donde este método fue probado, es una región de extrema escasez de agua y pobreza. En ello reside la factibilidad de aplicación como su principal fortaleza, ante la dificultad económica y técnica de un tratamiento formal en los sistemas.


260

REFERENCIAS

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Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática. Censo Nacional de Población 2000.

Itle, C. (2001): Properties of waste resulting from arsenic renoval processes in drinking water treatment. Tesis de maestría. Instituto Politécnico de Virginia y Universidad Estatal de Virginia. 200 pp.

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Khan, A.H., Rasul, S.B., Munir, A.K.M., Habibuddowla, M., Alauddin, M., Newaz, S.S., Hussam, A. (2000): Appraisal of a simple arsenic removal method for groundwater of Bangladesh. J. Environ. Sci. Health, A 35 (7), 1021-1041.

Kumari, A.S. (2006): Arsenic removal from water using naturally occurring iron, ant the associated benefits on health in affected regions. Tesis doctoral. Institute of Environment & Resources. Technical University of Denmark.

Merian, E. (ed) (1991): Metals and their compounds in the environment. VCH Pub., Nueva York. 1483 pp.

Mansilla, H.D., Cornejo, L., Lara, F., Yánez, J., Lizama, C., Figueroa, L. (2003): Remoción de arsénico de aguas del río Camarones, Arica, Chile. En: Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA AE 141/2001.

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Wegelin, M., Getcher, D., Hug, S., Mahmud, A., Motaleb, A. (2000): SORAS: a simple arsenic removal process. http:// phys4.harvard.edu/-wilson/mitigation/SORAS_Paper.html.

S. Gelover, M.T. Leal Ascencio and J.B. Tonnerieux

261

9

Implementation of arsenic removal by solar oxidation in Mexico



[email protected]

SUMMARY

The effectiveness of the method to remove arsenic (III and V) with solar energy was tested for three different concentrations of iron, 5 concentrations of lemon juice, 4 concentrations of hardness and various removal times. The best removal conditions in laboratory tests yielded an efficiency of about 80% with 10 mg L-1 of iron, 0.6 mL L-1 lemon juice, 3 hours of exposure and hardness above 200 mg L-1. Once the most efficient removal conditions were tested, field experiments were carried out. Two sites from the states of San Luis Potosí and Zacatecas were selected based on their history of arsenic concentrations between 300 and 900 µg L-1 in wells. Arsenic removal experiences were developed at these sites under the local conditions. The results showed that the system removes more than 95% of the arsenic present, with hardness between 200 and 1000 mg L-1 of CaCO3. The remaining concentration of arsenic was below the threshold established for water for human consumption in Mexico, which is 25 µg L-1, so it can be concluded that the method is effective to reduce exposure to arsenic and the health risk that its intake represents for the population.

INTRODUCTION

Arsenic

Arsenic is present in different chemical forms in the environment, with a particular toxicity associated to each specific form. Organic arsenic is generally non-toxic, whereas inorganic species – be it tri- or penta-valent – are associated with acute and chronic toxic effects. The origin of this element in water can be natural or anthropogenic. In most cases, contamination is natural. Arsenic can be dissolved in water from sediments through biogeochemical processes, contaminating aquifers, rivers, and lakes (Merian,


262

1991). Artificial contamination occurs as a consequence of mining, agricultural, or textile activities, as well as due to dyes, alloys, wood preservatives, pigments, and pharmacological applications, among others Dojlido and Best, 1993).

There are many effects on health that are consequence of the intake of inorganic contaminants, metals and metalloids among them. Health problems in human beings are related to disorders of the central and peripheral nervous system. In the case of metals, when concentrations are low, the contaminant is accumulated by the organism and the effects of this accumulation do not allow an easy identification of the problem.

Arsenic is widely distributed in the entire Earth’s crust naturally combined with other metals, mainly Cu, Pb, Zn, Co, Ni, Fe, Ag and Au. It is found in a non-combined state in association with other metallic alloys, particularly antimony and silver. It is frequently found as sulfides due to its strong affinity with sulfur, but it is sometimes found as oxides as well. The major arsenical minerals are realgar (AsS), orpiment (As2S3), arsenolite (As2O3) and arsenopyrite (FeAsS). It is obtained as a sub-product of the smelting of metallic minerals, arsenopyrite or arsenical sulfurous minerals. It is commercially used as pesticide, rat poison, alloying agent (products that facilitate the formation of metallic alloys), veterinarian drugs, fruit and wood preservatives, pigments, ceramic and paint, pyrotechnic compounds, and in the electronic industry of semiconductors. Its presence in water comes from industrial effluents, volcanic eruptions, or the dissolution of minerals and ores, which is the mineral with metallic content as extracted from the vein and that may lead to economic exploitation (Dojlido and Best, 1993). In some regions, such as our study area, arsenic concentrations naturally present in groundwater are high as a result of the geological composition of the region.

Arsenic presents four oxidation states under normal conditions, the most common being its trivalent state (arsenite) and its pentavalent state (arsenate). In natural waters with pH between 5 and 9, the species H2AsO4, HAsO4

2-, H3AsO3, H2AsO3- are

predominant. The conditions that favor chemical and biological oxidation induce a change to the pentavalent species, whereas those that favor reduction processes will shift the equilibrium towards the trivalent state.

Arsenic ionization is expressed by the dissociation constant, pKa, whose values for arsenate and arsenite are:

Arsenate: (H3AsO4): pK1 = 2.2 pK2 = 6.94 pK3 = 11.5 Arsenite: (H3AsO3): pK1 = 9.2 pK2 = 14.22* pK3 = 19.22*

* extrapolated values

As it can be observed, dissociation constants for As(V) are lower than those for As(III), which means that its degree of dissociation is higher. The ionization capability of As(V) allows it to easily combine with other compounds, which makes its removal by different methods more efficient as compared to As(III); thus the importance of oxidizing arsenite before subjecting the water to any kind of treatment. Changes in ionization state for arsenate and arsenite occur at different pH, as shown in Figure 1


263

Eh

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 1.2

2 4 6 8 10 12 14

Oxidizing water H 3 AsO4

H2 AsO4 -

H3 AsO3

HAsO4 -2

AsO 4 -3

AsO 5 -3

H2 AsO3 -

HAsO3 -2

Reducing water

pH

Figure 1. Distribution of arsenic species as a function of pH – Eh

According to the World Health Organization, 50 µg As L-1 have no effect on health and the risk of cancer is uncertain. In populations that consume waters with high concentrations of arsenic, a relatively high incidence of skin cancer, and possibly other types as well, that increases with dosage and age has been observed. Chronic exposure to this element causes cardiac problems, and its intake causes abdominal pain, vomits, loss of appetite, weakness, alternate diarrhea and constipation, neuritis, dermatitis, and hair loss (Jiménez, 2001). Exposure to arsenic causes skin cancer, hyperpigmentation and skin keratosis (Figure 2), and skin, lung, genital and eye tumors. Different statistical analysis indicate that the risk of developing internal cancer, specially bladder and lung cancer, associated with a concentration of 50 µg L-1 of arsenic in water, is of the order of 1 to 2 x 10-2, as a theoretical risk, assuming that exposure is continued during 70 years and 2 liters of water are consumed every day (Wang, 1994).


264

The natural elimination way for the human organism is through urine, feces, sweat, and skin epithelium (desquamation).

Figure 2. Skin effects caused by the chronic intake of arsenic

Total hardness

Water hardness is not a specific constituent but a complex and variable mixture of cations and anions. Hardness is mainly due to the presence of calcium and magnesium, although strontium, barium and other polyvalent ions also contribute to it. Hardness is usually expressed as calcium carbonate in mg L-1. Traditionally, hardness is a measure of the capacity of water to react with soap and form foam. It is divided into temporary or carbonated hardness, which can be removed or precipitated by prolonged boiling, and permanent or non-carbonated, which cannot be removed or precipitated by prolonged boiling.

Calcium and magnesium are common elements present in many minerals. The most common sources are limestone, gypsum, dolomite and calcite. They also come from a large number of industrial products, and they are common constituents in food as well. Ions such as zinc, manganese, aluminum, strontium, barium and iron dissolved from minerals such as spharelite, armangite, bauxite, strontianite and phosphosiderite represent a minor contribution to total hardness.

Even though most calcium compounds are not readily soluble in pure water, the presence of carbon dioxide increases their solubility; water sources with more than 100 mg of calcium per liter are quite common. Similarly, it is common to find magnesium in concentrations of up to 10 mg L-1. Only food and water are majority sources of calcium and magnesium, whereas sources such as cigarettes, dust, occupational exposure and air are irrelevant.


265

Both calcium and magnesium are necessary elements for living organisms, so their toxicity is very low. This toxicity condition occurs at extremely high concentrations, so much so that it is of rare occurrence in the environment. Nonetheless, some negative effects caused for example by an excess of magnesium have occasionally been observed, but in relation to a lack of balance between the calcium, potassium and/or zinc ions and magnesium and not precisely as an excess of magnesium per se. The effects of such an excess can be somnolence, inhibition of the autonomous function of the central nervous system, hypotonia, bradycardia, decrease of blood pressure, and eventually cardiac arrhythmia (Merian, 1991).

There is evidence that suggests that the intake of extremely hard water increases the incidence of urolithiasis. However, there are no data that will allow drawing concluding results in this regard. On the other hand, the presence of water hardness has been linked to a high negative correlation with the presence of cardiovascular diseases. That is, there is a positive relation between the incidence of these affections and the intake of soft water. The most significant factor was the presence of magnesium. In later studies, it was demonstrated that this relation stands if hardness is above 170 mg L-1, but not for lower concentrations. The reason for this relation has not been explained yet. It is possible that this effect is due to the fact that the presence of greater proportions of magnesium may act as a protection against lipid deposits in arteries, or it may act as an anticoagulant, or that a slight increase in the content of calcium in the diet reduces blood cholesterol levels, or to the protective role of other elements such as lithium, chromium, vanadium and manganese, or to the lixiviation from pipes made of harmful elements such as lead and cadmium, when water is soft (AWWA, 1991).

On the other hand, reports have been published indicating water hardness as a factor that contributes to the appearance of defects in the nervous system, anencephaly, perinatal mortality and several types of cancer, but these associations may reflect disease patterns that can be explained by social, climatologic and environmental factors rather than by water hardness itself (WHO, 1984).

BACKGROUND

Location. The study area includes aquifers from the states of Zacatecas and San Luis Potosí, contained in two main aquifers, where recently there have been problems related to high concentrations of arsenic.

The presence of arsenic in groundwater in the study area creates the need to carry out this study. There were suspicions of, or a wish to corroborate, the presence of arsenic, as well as other metallic contaminants, in the wells that were analyzed, and based on the findings determine removal possibilities by solar oxidation.

Climate. The climate of the entire region is dry or very dry, as shown in Figure 3. Most of the central and northern regions of the country, amounting to 28.3% of the national territory have dry climate. It is characterized for the presence of winds, which results in low cloudiness levels and annual rainfall between 300 and 600 mm, with average temperatures between 22 °C and 26 °C in some regions and between 18 °C and 22 °C in others. The areas with very dry climate have average temperatures between 18 °C and 22 °C, with extreme cases above 26 °C, and average annual rainfall between 100 and


266

300 mm. Rainfall being so scarce, water availability is very low, which makes groundwater the only available source in the region (Figure 4).

Figure 3. Major climates in Mexico

Figure 4. Annual average rainfall in the region

Physiography. From a physiographical viewpoint, the country is divided into 15 provinces. One of these, the central plateau, encompasses the study area (Figure 5). The geology of the region – the northern and northwestern portion of Mexico – consists mainly of Mezosoic and Cenozoic sedimentary rocks, as well as recent continental deposits, that cover most of the central plateau, northern basins and hills, and the paleobasin of


267

Burgos, this latter from the Cenozoic era. In different locations there are small windows of metamorphic rocks, mainly from the Precambrian and the Paleozoic. An important feature of this area of Mexico is the Sierra Madre Oriental, whose formation began at the beginning of the Mezosoic and finished at the beginning of the Cenozoic.

Figure 5. Physiographic provinces in Mexico

Zacatecas

The region studied in the State of Zacatecas belongs to the municipality of Guadalupe. This municipality is located at 23°04’00’’ N and 103°10’60’’ W and at 2,138 meters above sea level. It has 108,000 inhabitants distributed in communities such as Guadalupe –converted in a conurbation of the capital Zacatecas– Trancoso, Tacoaleche, Zóquite, Bañuelos, Cieneguita, Santa Rita, San Ramón, El Porvenir and Santa Mónica. 60% of this population lives in the head of the municipality, Guadalupe

Population. The total population of the municipality is distributed in 22,000 houses with an average of 4.8 occupants. 63% of the dwellings belong to the city of Guadalupe, municipal head, which has a good coverage of services because it is a conurbation of Zacatecas: 96.98% of the inhabited houses have electricity, 90.95% have running water, and 80.02% have drainage services.

Economic activity. Economic activity is based on services, followed by agricultural and stockbreeding activities and construction (Table 1).


268

Table 1. Economic aspects of the municipality of Guadalupe, Zac.

POPULATION DISTRIBUTION BY OCCUPATION

No. of people % State % Municip./State %

Workforce 54,629 100.0 852,021 100.0 6.4

Economically active population

22.7 41.6 306,734 36.0 7.4

Employed 22,141 97.5 294,458 96.0 7.5

Unemployed 559 2.5 12,276 4.0 4.6

Economically inactive population

30,764 56.3 531,671 62.4 5.8

Non-specified 1,165 2.1 13,616 2.6 8.6

POPULATION DISTRIBUTION BY ECONOMIC SECTOR


Employed population

22,141 100.0 294,458 100.0 7.5

Agriculture and stockbreeding

3,702 16.7 117,187 39.8 3.2

Mining 253 1.1 7,052 2.4 3.6

Industry 2,118 9.6 27,318 9.3 7.8

Construction 3,614 16.3 28,884 9.8 12.5

Commerce 2,603 11.8 29,625 10.1 8.8

Transportation 799 3.6 6,879 2.3 11.6

Services 8,137 36.8 68,072 23.1 12.0

Non-specified 915 4.1 9,441 3.2 9.7

Unemployed population

559 - 12,276 - 4.6


269

Table 1. (Continued)

POPULATION BY INCOME LEVELS


Income levels 22,141 100.0 294,458 100.0 7.5

No income 1.21 5.5 51,797 17.6 2.3

Up to 1 minimum salary

3,562 16.1 62,094 21.1 5.7

From 1 to 3 minimum salaries

13,156 59.4 132,936 45.1 9.9


2,087 9.4 18,955 6.4 11.0

More than 5 minimum salaries

13,333 6.0 13,444 4.6 9.9

Non-specified 793 3.6 15,232 5.2 5.2

SOURCE: INEGI, XII General Population and Housing Census 2000.

Production sectors. Agriculture is based on the growth of beans, foraging oat, dry chili, apples, vines, carrots and alfalfa. Livestock activity is based on bovine and ovine cattle and poultry, together with a significant production of honey. The most important mining activity is the extraction of silver, mercury and gold, followed by lead, zinc and copper.

San Luis Potosí

In this State, water from the municipality of Villa Guadalupe, in the community of Vallejo, with a significant presence of arsenic, was analyzed.

The municipality of Villa de Guadalupe is located on the high plateau of the State of San Luis Potosí. It has a population of 10,378 inhabitants distributed in 2,093 houses forming very small communities. The municipal head has 1,019 inhabitants, and the remaining towns, such as Zaragoza, Santa Teresa, Santa Isabel, Rancho Alegre, Guadalupito, Buenavista, Los Chilares, Jarillas and El Leoncito, have between 300 and 600 inhabitants each. Service availability is low in the municipality: 75% of the houses have electricity, 49.7% have running water, and only 8.3% have drainage services or septic tanks. These data are in contrast with the state averages of 88.45%, 76% and 52%, respectively.


270

Economic activity. The population develops mainly agricultural and stockbreeding activities, with 59.69% of the economically active inhabitants working in this sector, followed by construction (Table 2). Consequently, salaries are low, with 67.6% of the inhabitants living on one minimum salary or less. It should also be noted that 62% of the population above 12 years of age is economically inactive, which has been observed in other municipalities of the region as well.

Table 2. Economic aspects of the municipality of Villa de Guadalupe, S.L.P.

POPULATION DISTRIBUTION BY OCCUPATION


Workforce 7,343 100.0 1,608,645 100.0 0.46

Econ. active pop. 2,744 37.37 723,454 44.97 0.38

Employed 2,724 37.10 715,731 44.49 0.38

Unemployed 20 0.27 7,723 0.48 0.26

Econ. inactive pop. 4,587 62.47 879,646 54.68 0.52

Non-specified 12 0.16 5,545 0.34 0.22

POPULATION DISTRIBUTION BY ECONOMIC SECTOR


Employed pop. 2,724 100.0 715,731 100.0 0.38

Agriculture and stockbreeding

1,626 59.69 152,565 21.32 1.07

Mining 16 0.59 3,864 0.54 0.41

Industry 284 10.43 122,113 17.06 0.23

Construction 313 11.49 67,613 9.45 0.46

Commerce 149 5.47 110,514 15.44 0.13

Transportation 27 0.99 24,732 3.45 0.11

Services 222 8.15 213,454 29.82 0.10

Non-specified 87 3.19 20,876 2.92 0.42

Unemployed pop. 20 - 7,723 - 0.38


271

Table 2. (Continued)

POPULATION BY INCOME LEVELS


Income levels 2,724 100.0 715,731 100.0 0.38

No income 1,376 - 88,961 - 1.55

Up to 1 minimum salary

1,843 67.66 207,857 29.04 0.89


703 25.81 308,383 43.09 0.23


40 1.47 88,200 12.32 0.04

More than 5 minimum salaries

30 1.10 71,205 9.94 0.04

Non-specified 108 3.96 40,086 5.60 0.27

SOURCE: INEGI, XII General Population and Housing Census 2000.

METHODOLOGY

In a first stage, arsenic contents were measured with a portable device, useful in the filed. The technique is based on the generation of arsenic hydride or arsine, which then reacts with mercury bromide. This compound presents a yellow to brownish coloration. It is fixated on pads where the color appears and is measured with a photometer; based on this reading, the original concentration is calculated. This method was selected due to its measurement easiness and possibility of taking the device to the field. This allowed carrying out arsenic removal tests in the sampling area, as well as measuring the initial concentration of arsenic in the originally selected wells.

At the laboratory, the technique of arsenic removal by solar oxidation was used, and the optimum conditions for obtaining a good removal rate were determined taking into account the variables of lemon juice concentration, iron concentration, and later on water hardness. Lemon juice and iron concentrations are the same as the ones used by other authors for the same method (Wegelin et al, 2000; García et al, 2004; Kumari, 2006; Mansilla et al, 2003).

The procedure of exposure to sunlight begins by filling 1-liter to 2.5-liter PET bottles up to 80% their capacity. Iron is added, and after 10 minutes water becomes


272

yellow/brownish as iron (II) is oxidized to iron (III). 600 µL of lemon juice are added (or 4 to 8 drops per liter). The bottle is closed and vigorously agitated for 30 seconds to saturate the water with oxygen. The bottle is exposed to the direct action of the sun in a leaning position that equals the local latitude for a period of several hours. Then the bottle is moved to a vertical position to allow precipitation to occur during the night or several hours. The next day it is filtrated through a cloth. Water must remain completely colorless. Arsenic content is measured and the efficiency of the process is determined.

Once the removal of arsenic from artificially contaminated water was implemented at a laboratory scale, the method was tested in the Mexican high plateau, where high concentrations of arsenic have been detected in water for human consumption by other studies (IMTA, 2002). Arsenic concentration was measured in the field, water was treated trying different concentrations, and the effectiveness of the method was finally measured. A general scheme of the methodology is shown in Figure 6 (taken from García et al, 2004).

Figure 6. Arsenic removal by photo-oxidation


The main results were very positive and presented characteristics indicating that the method offers excellent application possibilities in Mexico. The field technique used to measure arsenic content during the experiments was validated and presented an error rate between 9 and 22%, depending on the concentration interval.

The removal of arsenic from water with low contents of salts is limited to 60% if there is no hardness in the sample or if hardness is below 200 mg L-1. When hardness is 200 mg L-1 (as calcium carbonate), arsenic removal increases to 80%. For concentrations above this threshold, removal efficiency keeps increasing slightly (Figure 7). These results were achieved with a solar exposure of four hours.


273

Figure 7. Relation between arsenic removal and total hardness in water

To achieve high efficiencies, greater than 95%, the exposure time of the bottles to solar radiation should be at least five hours. With this rate, it is possible that the water treated reaches arsenic levels that comply with the national standard for drinking water.

As regards the ideal concentration of lemon juice for removal, the best answer is obtained with a dosage between 400 and 600 µL L-1. Removal of arsenic (III) is close to 60% for different concentrations of lemon juice, whereas for arsenic (V) removal is close to 80%. In both cases the optimum concentration of lemon juice is 500 µL L-1.

The analyses carried out in this aquifer yielded the results presented in tables 3 and 4.

Table 3. Field results and location of the wells from Zacatecas

North latitude West longitude EC Temp. pH Well

Degrees Min. Sec. Degrees Min. Sec. µSi cm-1 °C

SR14 22 42 23.4 102 32 22.8 650 39.0 7.75

SR13 22 41 49.9 102 32 36 425 33.4 7.69

SR16 22 42 33.1 102 32 16 517 35.2 7.92

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600

Dureza total (mg/L Ca CO3)

Rem

oció

n de

ars

énic

o (%

)

Total hardness (mg L-1 CaCO3)

Ars

enic

rem

oval

(%)


274

Table 4. Anion and cation results of the wells from Zacatecas

Well TDS Dur. Chloride Sulfate Fluorine Arsenic Phosphate

SR14 436 238 42.8 70.7 2.92 0.463 0.65

SR13 328 190 20.7 38.8 2.85 0.592 0.64

SR16 386 214 30.3 55.8 2.96 0.425 ≤0.38

In water samples from wells in Zacatecas, with a hardness of 200 mg L-1 (measured as calcium carbonate) and 366 µg L-1 of arsenic, a removal rate of 96% was achieved, evidenced by an estimate final concentration of 15 µg L-1.

The analyses carried out in this aquifer yielded the results presented in Tables 5 and 6 and in Figure 9.

Table 5. Field results and location of the wells from Zacatecas

North latitude West longitude EC Temp. pH Well

Degrees Min. Sec. Degrees Min. Sec. µSi cm-1 °C

S Jose Aguaje

23 22 5.1 100 37 12 1150 26.0 8.19

S Ant Barranca

23 19 35.4 100 39 57.7 700 24.8 8.71

Vallejo 23 7 1.7 100 32 44.9 2080 25.4 8.02

Table 6. Anion and cation results of the wells from Zacatecas

Well TDS Dur. Chloride Sulfate Fluorine Arsenic Phosphate

S Jose Aguaje

1,149 580 48.1 510 0.781 0.007 ≤0.38

S Ant Barranca

537 144 29.4 134 0.596 0.002 ≤0.38

Vallejo 2,334 1,653 25.5 1,495 4.15 0.557 ≤0.38

In water samples taken from the wells at San Luis Potosí, with hardness above 1,000 mg L-1 and initial concentration of arsenic of 88 µg L-1, a removal rate of 100% was achieved after five hours of exposure to sunlight with 55 µL L-1 of lemon juice and 10 mg L-1 of iron (II) (Figure 8).


275

Figure 8. Arsenic removal in water from wells of the Mexican high plateau

Arsenic precipitates and can be removed from the bottles by decantation at rest or by filtration with paper or cloth. The precipitate produced is highly stable and other authors have demonstrated that the arsenic lixiviation in the precipitate is very limited. However, even if handling the arsenical precipitate is simpler because of this stability, it should be handled properly and with environmental correction at all times (Itle, 2001), (Camacho, 2004).

Figure 9. Sampling activities in San Luis Potosí and Zacatecas

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5


% d

e re

moc

ión

de a

rsén

ico

SR14 (Zacatecas)

Vallejo (San Luis Potosí)

Exposure time (hours)

Ars

enic

rem

oval

(%)


276

These results are similar to those reported by Wegelin et al (2000), Kahn et al (2000), García et al (2003) and Mansilla et al (2003) as regards process efficiency. Differences in exposure times are found, which is undoubtedly related to energy availability at each location. There are also differences regarding lemon juice concentration. In this case, the acidity of each type of lemon is different, which might explain the various concentrations reported.

CONCLUSIONS

Efficiency is greater than 95% if the total hardness of the water is equal to or greater than 200 mg L-1. If there is iron present in the supply source, which is commonly the case in these regions, it may be possible not to add this element and let precipitation occur with the iron naturally found in the water.

This is a promising method for arsenic removal when a technique that can be applied at the point of use is required and there are no formal systems for water distribution or treatment. In the region in Mexico where the method was tested water is extremely scarce and poverty conditions are significant. Therefore, the greatest strength of the method is its applicability, particularly when taking into account the economic and technical difficulties for formal treatment in the area.

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277

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Jorge, Venero, Díaz, Carpio, Zúñiga, Maurtua, Cristóbal, Galarza, Quintana, Ponce, Solís, Rodríguez y Estrada

279

10

La experiencia peruana en la desinfección y descontaminación de agua utilizando energía solar

Clido Jorge1, Jackelin Venero1, José Díaz1, Edward Carpio1, Patricia Zúñiga1, Dora Maurtua2, Ruth Cristóbal2, Patricia Galarza2, Maria Quintana3, Silvia Ponce1, José Solís1,3, Juan Rodríguez1,3 y Walter Estrada1,3

1Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú

2Universidad Peruana Cayetana Heredia, Lima, Perú

3Instituto Peruano de Energía Nuclear, Lima, Perú

[email protected]

RESUMEN

Se han realizado estudios de laboratorio y de campo de la aplicación de las técnicas de desinfección por fotólisis solar (SODIS) y fotocatálisis solar (FHS) y remoción de arsénico en agua por oxidación solar (SORAS). Para la implementación de las técnicas se escogieron dos zonas, una en la zona industrial del distrito de Puente Piedra, Lima, con alta contaminación bacteriana (naciente Choqué), y la segunda en Sama Las Yaras, Tacna, con contaminación natural de arsénico. En el caso del agua contaminada con bacterias, se obtuvo agua apta para el consumo humano con ambos métodos. Sin embargo, con el uso de FHS se ha logrado mejorar SODIS, no solamente en el tiempo de desinfección, sino también en el efecto limitador del recrecimiento bacteriano posterior al tratamiento. Se comprobó que la aplicación del método SORAS en aguas reales es factible, ya que en Sama Las Yaras se obtuvieron remociones de hasta 95%. Por otra parte, se han realizado acercamientos a la comunidad a través de talleres informativos en las localidades para informar acerca del proyecto y de la situación del agua que consumen. Paralelamente, se están realizando trabajos conjuntos con una ONG para analizar la viabilidad de la aplicación de las técnicas en pozos del Departamento de Puno.


280

INTRODUCCIÓN

El agua potable es un bien sumamente escaso en el mundo. De los 1400 millones de kilómetros cúbicos estimados de agua sobre la tierra, el 97,6% es salada, 2,38% se encuentra como hielos y glaciares, y aproximadamente sólo el 0,024% se encuentra sobre la superficie terrestre y por lo tanto puede ser destinada al consumo humano. De los 6000 millones de personas que pueblan la tierra, más de 1000 millones se ven afectadas por esta situación y cerca de 2500 millones no tienen acceso a un adecuado servicio de saneamiento. Esto se traduce en que más de 6 millones de niños por año mueren por enfermedades que tienen su origen en el agua que consumen.

Hoy en día, 31 países, los cuales representan 2800 millones de personas, tienen problemas de agua. En Sudamérica, sólo el Perú afronta problemas de escasez de agua (Figura 1), con el agravante de que cada 10 años nuestra población se eleva aproximadamente en 15%.

Figura 1. Disponibilidad de agua en el mundo (Third World Academy of Sciences, 2002)

Según el Organismo Panamericano de la Salud, (Organización Panamericana de la Salud, 2005) el 81% de la población del Perú tiene acceso al agua potable, mientras que los servicios de saneamiento alcanzan al 62% de los habitantes. Sin embargo, un desagregado de estos porcentajes nos da una idea más clara de la realidad en las zonas rurales, en las que sólo un 66% tiene acceso a agua potable y no más del 33% a servicios de saneamiento, con los problemas adicionales de que un gran porcentaje de la población es abastecida intermitentemente y con sistemas de almacenamiento inadecuados. Existe una relación directa entre la mortalidad infantil (por 1000 nacidos vivos) versus acceso a agua y saneamiento (% de población) (Organización Panamericana de la Salud, 2005); así, en los países de América donde el acceso al agua y saneamiento es de un 100%, como en los Estados Unidos, la mortalidad infantil es alrededor de 7/1000; a medida que los servicios decrecen, como en Chile al 93,5%, la mortalidad se incrementa ligeramente y es de 10/1000. En el caso del Perú, la mortalidad infantil es de 33/1000, valor sumamente alto y por encima de la media en el área de los países andinos (25,6%), o al promedio para América Latina (24,9%). A esta situación hay que agregar el hecho de que la contaminación del agua es un problema sumamente serio; sus efectos en la salud se observan a diario en la población que consume agua

Abundante

Limitada

Propensión a escasez seria

Escasa

Estrés hídrico


281

contaminada. Por ello, la tecnología solar aplicada a la degradación de contaminantes en agua ha sido un campo de gran atención científica en los últimos años (Rincón y Pulgarin, 2004; Carpio y col., 2005; Quintana y col., 2005; Díaz y col., en prensa), principalmente por su potencial aplicación en zonas rurales, caracterizadas por su poca densidad poblacional y falta de servicios básicos. Esta tecnología es sumamente promisoria debido a su bajo costo, fácil implementación y la posibilidad de usar el efecto de la irradiación solar, relativamente frecuente e intensa en el Perú, debido a su posición geográfica, y de la cual se usa principalmente la componente UV-A (310-400 nm).

En ámbitos urbanos del Perú existen altos niveles de contaminación hídrica. Como ejemplo podemos citar el río Rímac, el cual presenta cuatro veces la concentración de coliformes permitidos por la Organización Mundial de la Salud. Para los habitantes por debajo de la línea de pobreza, el tradicional método de hervir el agua puede no ser una solución adecuada para su potabilización, básicamente por falta de recursos económicos. El problema se acentúa por la falta de técnicas bien establecidas para la potabilización, por lo que la búsqueda de nuevas tecnologías que permitan atacar estos problemas es sumamente importante. En este contexto, son necesarios procedimientos innovadores para enfrentar este problema. La pérdida de calidad del agua es crítica en algunas regiones y se debe fundamentalmente a la contaminación por efluentes provenientes de las actividades productivas de la industria, sobre todo la industria minero-metalúrgica, que se convierten en vectores de contaminación, como el caso de los relaves mineros en la Oroya, departamento de Junín, en la sierra central del Perú, y por los desechos domésticos y agroquímicos. También hay casos en que la contaminación es natural, como la del arsénico en la zona sur del Perú; por ejemplo, la Laguna de Aricota posee efluentes que pasan por el volcán Yucamane, que al parecer es la fuente de contaminación de esta agua (Castro de Esparza, 2004) y que se debe a factores geológicos, específicamente la actividad volcánica (Blesa, 2001).

El arsénico es un veneno para el ser humano que en dosis altas (más de 60 mg L-1 en los alimentos o el agua) puede ser fatal. Niveles más bajos (entre 0,3 y 30 mg L-1 en los alimentos o el agua) pueden causar irritación del estómago, intestinos, náuseas, vómitos y diarrea entre otros. Según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, la exposición prolongada a niveles de arsénico de 50 µg L-1, puede producir cáncer de piel en 31 de cada 1000 habitantes. La ingesta de arsénico por largos períodos de tiempo a través de la exposición al agua contaminada causa cáncer de piel, cáncer glandular, cáncer al sistema urinario, cambios en la pigmentación de la piel, etc.

En el presente trabajo se evalúa la utilización de la técnica de descontaminación de agua solar (SODIS), de la fotocatálisis heterogénea solar (FHS) y de la remoción de arsénico por oxidación solar (SORAS). SODIS consiste en la irradiación solar de agua contaminada contenida en botellas de plástico (recipientes de bebidas comerciales), obteniéndose al final del proceso agua apta para consumo humano. La fotocatálisis heterogénea (FH) es un proceso fotoquímico que forma parte de las novedosas tecnologías avanzadas de oxidación. La fotocatálisis heterogénea se basa en una reacción catalítica que involucra la absorción de luz por parte de un semiconductor, TiO2 (catalizador), y es capaz de degradar los contaminantes orgánicos. Las nanopartículas de TiO2, principalmente de fase anatasa, se vienen utilizando como fotocatalizadores debido a su eficiencia y baja toxicidad, así como gran área efectiva del catalizador. Por su parte, SORAS se basa en la formación de un complejo de citrato de Fe (III) que permite la oxidación del As (III) a As (V) a través de especies activas formadas por irradiación con luz solar en presencia de oxígeno. El As (V) se adsorbe fuertemente sobre el precipitado de hidróxido de hierro que se forma en esas condiciones, y flocula.


282


Para la elección de las localidades se tuvo en cuenta la existencia de núcleos poblacionales dispersos y no conectados a redes de provisión de agua potable, con condiciones socioeconómicas desfavorables. Se tomaron en cuenta las condiciones de estrés hídrico que, como en el caso de Tacna, es característico de la zona. También se consideraron antecedentes de niveles altos de arsénico en aguas de consumo humano, así como la disponibilidad de niveles elevados de radiación solar durante la mayor parte del año, y la relativa facilidad de acceso a los sitios escogidos para realizar las pruebas de campo. En nuestro caso, mostramos los estudios detallados de dos regiones, una en la periferia de Lima (Tambo Pariachi y Puente Piedra) y la segunda en Sama Las Yaras, Tacna.

Puente Piedra

El distrito de Puente Piedra se encuentra ubicado al norte de Lima Metropolitana, a una altura de 184 msnm, con una extensión total de 71,18 km2. Se lo puede considerar como distrito suburbano cuyos terrenos agrícolas se están convirtiendo en urbanizaciones y asentamientos humanos. Está asentado en la cuenca del río Chillón (Figura 2). Geográficamente, se encuentra ubicado en el departamento de Lima, aproximadamente en la intersección entre el paralelo 11°51’43’’ S y el meridiano 77°04’34’’ O. Está a 28 km del Cercado de Lima.

La temperatura promedio de Puente Piedra en los meses de verano (de mediados de diciembre a mediados de marzo) es de 25 °C. En el invierno los días son grises, nublados y con bastante humedad. La temperatura promedio fluctúa entre los 12 y 15 °C.

Los suelos de Puente Piedra se han formado por sedimentos aluviónicos, asentados sobre basamentos rocosos divididos en 2 grupos: uno de material liviano poco permeable compuesto por limos, arcillas, arena fina y gruesa y piedra menuda, correspondiente a las zonas de San Lorenzo, Pancha Paula, Copacabana, El Gramadal, Las Vegas y Tambo Inga, y otro de material medianamente permeable compuesto por arcillas, arena fina y gruesa, correspondiente a las zonas de La Esperanza, Fortín, Choqué, Gallinazo, Shangri-La y Chillón.

Figura 2. Mapas del distrito de Puente Piedra, provincia de Lima

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

ÑÑ

Ñ

Ñ

C.S. Zapallal

P.S. Jerusalen

P.S.San Jose

C.S. Las Animas

C.S. Santa Rosa

P.S. La Ensenada

C.S. Los Sureños

P.S. Villla Estela

Hospital Puente Piedra

P.S. Laderas de Chillón

P.S. Virgen de las Mercedes

P.S. San Pedro de Carabayllo

C.S Ancon

ÑP.S Juan Pablo II

Panamericana Norte

Panamericana Norte

Rio

Chi

llon

CARABAYLLO

SANTA ROSA

ANCON

PUENTE PIEDRA

OCEANO PACIFICO

VENTANILLA

CHANCAY

CALLAO

S M P

COMAS

CANTA

N

EW

S

261000

261000

270000

270000

279000

2790008676

000 8676000

8685

000 8685000

8694

000 8694000

8703

000 8703000

8712

000 8712000


283

En esta zona, la napa freática está muy próxima a la superficie. El manante Choqué se encuentra próximo a un canal de desagüe, el Tambo Inga se encuentra ubicado en la zona de San Remo, y el Sauces en la zona de Gallinazos. Los tres están totalmente expuestos al ambiente y presentan contaminación bacteriana.

La población de Puente Piedra, según el Ministerio de Salud, es de 183076 habitantes, de los cuales el 49% son mujeres (Figura 3). En Puente Piedra se ha dado un acelerado crecimiento de asentamientos humanos (AAHH), de 63 AAHH en 1993 a 113 AAHH en el 2003, los que se ubican sin planificación urbana en zonas altas de difícil acceso y con calles estrechas de difícil tránsito vehicular para unidades de gran tamaño.

Figura 3. Población por sexos en Puente Piedra según los censos de 1993 y 2005 (Programa de Lucha Contra la Pobreza en Lima Metropolitana (PROPOLI), 2005)

Cabe resaltar que el distrito de Puente Piedra cuenta con un sector comercial, industrial y de servicios muy importante que se ubica principalmente en el eje de la carretera Panamericana Norte, y en una proporción cada vez menor un sector de actividad minera no metálica y agrícola. Cuenta con 20 mercados, uno de ellos de acopio, que permite el intercambio comercial de productos de primera necesidad con otros distritos, y a su vez genera actividades conexas de servicios en general. Cuenta con una importante zona ganadera, que es productora de leche, agrupada en una asociación con personería jurídica, y extensas áreas agrícolas a lo largo del valle del Chillón, como San Lorenzo, Carabayllo, o Gallinazos, que abastece al cono norte.

También existen las concesiones mineras no metálicas que, producto de sus operaciones de extracción de material arcilloso y arena, generan canteras, que podrían ser aprovechadas a futuro.

En el Distrito existen 9 establecimientos de salud: el Hospital Puente Piedra, 5 puestos de salud y 3 centros de salud que no cuentan con un servicio de disposición de sus residuos.

49,8%50,2%

49%

51%

48,0%

48,5%

49,0%

49,5%

50,0%

50,5%

51,0%

1 2

49,8%50,2%

49%

51%

48,0%

48,5%

49,0%

49,5%

50,0%

50,5%

51,0%

1 2Censo 1993 Censo 2005

hombresmujeres


284

Entre las principales enfermedades que afectan a la población de Puente Piedra se encuentran la rinofaringitis aguda, bronquitis aguda, faringitis aguda, asma no especificada, asma alérgica, pulpitis, hipertensión esencial e infección por vías urinarias (Figura 4). En el primer semestre de 2006, se han presentado casos de trastorno específico de la pronunciación y lumbago (PROPOLI, 2005).

Figura 4. Principales causas de morbilidad según sexo en Puente Piedra en 2005

La mayor parte de Puente Piedra no cuenta con servicios básicos debido a la falta de saneamiento físico legal de las asociaciones. En la Figura 5 se muestran las formas alternativas de abastecimiento de agua de esta población, siendo la alternativa más recurrente el abastecimiento a través de camión cisterna, que abastece a un total de 144099 habitantes, representando el 69,4% de la población que no cuenta con conexión domiciliaria.

Figura 5. Formas de abastecimiento de agua en Puente Piedra (PROPOLI, 2004)

53%

50%

53%

54%

15%

52%

42%

52%

31%

34%

47%

50%

47%

46%

85%

48%

58%

48%

69%

66%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

Rinofaringitis aguda

Faringitis aguda

Bronquitis aguda

Asma no especificado

Infección de vías urinarias

Infecciones intestinales

Causas de Morbilidad desconocida

Asma Alérgica

Hipertensión esencial

Pulpitis

53%

50%

53%

54%

15%

52%

42%

52%

31%

34%

47%

50%

47%

46%

85%

48%

58%

48%

69%

66%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%


Faringitis aguda

Bronquitis aguda





Asma Alérgica


Pulpitis

hombres mujeres


285

Tambo Pariachi, Ubican, Ate-Vitarte

El asentamiento humano "Huaycán" está ubicado en el distrito de Ate-Vitarte, en el cono este de Lima Metropolitana. Tiene un área urbana de 576696 hectáreas. Fue fundado el 15 de julio de 1984 con una primera población de 4000 habitantes, que en la actualidad se aproxima a los 100000 habitantes. Muchos de ellos son familias inmigrantes desplazadas de la Sierra por la violencia terrorista en la década de los ochenta, y también familias pobres procedentes de barrios tugurizados de la misma capital, Lima. Estudios y diagnósticos del distrito de Ate-Vitarte muestran que el poblado de Huaycán presenta índices de pobreza extrema hasta de nivel 5. La pobreza afecta a amplios sectores de la población, y un factor determinante de ello es la falta de empleo y los bajos niveles de ingreso que obtienen por las actividades de supervivencia que realizan. Sin embargo, tiene una población que se caracteriza por una efervescente dinámica de generar actividades económicas que, siendo muchas de ellas de supervivencia, les permite sentar las bases de una etapa encaminada a mejorar su nivel de vida dentro de una organización social que se viene fortaleciendo.

Sama, Tacna

La segunda zona de estudio está situada en la cuenca del río Sama en Tacna, en el extremo sur del Perú, entre los paralelos 16°58’00’’ y 18°21’34,8’’ S y los meridianos 60°28’00’’ y 71°00’02’’ O y a 1293 km de Lima. Está ubicada en la cabecera del desierto de Atacama, cuya característica esencial es la hiperaridez, debido a la cual tiene una limitación grave en recursos hídricos para uso agropecuario y consumo humano. La región está enfrentando en los últimos 20 años un serio proceso de deterioro en el balance entre la oferta y la demanda de agua, reflejada por un déficit de 10,50 m3 seg-1. El agua de la zona se obtiene de las cuencas de Caplina, Uchusuma, Sama y Locumba, con un recurso subterráneo en el sector de La Yarada (Figura 6). El distrito de Sama Las Yaras fue elegido debido a los altos niveles de arsénico existentes en el agua de consumo extraída del subsuelo. Las diferentes comunidades comprendidas en el muestreo consumen el agua sin tratamiento alguno para el consumo humano. Estas aguas muestran turbidez (Calientes, Sama Inclán), alto contenido de sales (Sama Las Yaras) o, en algunos casos, presentan contaminación debido al mal almacenamiento (La Yarada).

El clima de la zona es templado. La temperatura media es de 17 °C, con una máxima de 22 °C en enero y febrero. En la ciudad de Tacna, en verano, la temperatura promedio es de 23 °C, con una máxima de 28 °C y en invierno una temperatura mínima de 8 °C.

La población del departamento de Tacna está detallada en la Tabla 1, por cada provincia y distrito, mientras que en la Tabla 2 se da el porcentaje de la población femenina y masculina.

En el contexto regional, Tacna es el centro político – administrativo, comercial y de servicios más importante del departamento del mismo nombre. Es el centro de la institucionalidad pública y privada del departamento, y cuenta con un sistema financiero, comercial y hotelero que sostiene las relaciones y flujos de las actividades económicas que desarrolla la ciudad en torno a la zona franca (ZOFRA) – Tacna.


286

Figura 6. Localización de la zona de estudio en Tacna, Perú

La actividad comercial ha sido históricamente el sector que ha dinamizado la economía del departamento y de la ciudad de Tacna. Actualmente, depende en gran parte del movimiento de ZOFRA–Tacna (antes CETICOS-Tacna), y de su zona comercial constituida por la provincia de Tacna. La actividad comercial trajo como consecuencia la necesidad de crecer en infraestructura de servicios de todo orden; en 2000 se estimaba que las tres cuartas partes de la población de Tacna procedía de otros departamentos del país. También es notorio el crecimiento de los mercados: en el año 1980 eran seis, en 2002 se registraban 22 mercados de abastos.

La actividad industrial en la ciudad de Tacna, ha decaído notablemente de 155 empresas que se instalaron entre 1964 y 1993 hasta seis empresas en 2000, debido a la modificación de los incentivos tributarios a las industrias ubicadas en la selva y frontera que se dieron en la década del ochenta. Por ello, el Parque Industrial de Tacna se encuentra subutilizado, con muy pocas empresas realmente industriales.

El movimiento migratorio de turistas chilenos y movimiento poblacional del interior del país que visita Tacna por razones eminentemente comerciales han ocasionado que el servicio de hospedaje y restaurantes se incremente notablemente en la ciudad.

En cuanto a servicios de salud, Tacna cuenta con 2 hospitales: el Hospital Hipólito Unanue, con 291 camas disponibles (administrado por el Ministerio de Salud) y el Hospital Daniel Alcides Carrión, con 60 camas disponibles (administrado por EsSalud). Además se cuenta con 12 centros de salud, 21 puestos de salud, 4 clínicas particulares, 102 consultorios particulares y 2 centros de salud de la sanidad (Militar y Policial).

Calientes

Inclán

Sama las Yaras

La Yarada

Amopaya


287

Tabla 1. Población estimada según provincia y distritos (Ministerio de Salud del Perú)

Tabla 2. Población por sexo de la provincia de Tacna (2000)

Localidad Hombres Mujeres

Tacna 51% 49%

Alto de la Alianza 50% 50%

Calana 55% 45%

Ciudad Nueva 51% 49%

Anclan 55% 45%

Pachia 58% 42%

Palca 55% 45%


288

Localidad Hombres Mujeres

Pocollay 52% 48%

Sama 58% 42%

El recurso más importante a corto plazo con que cuenta el valle de Tacna para su desarrollo agrícola y consumo humano es el agua subterránea. El inventario realizado ha permitido establecer que en el valle de Tacna existen 116 pozos ubicados en la zona comprendida entre Calana y el Litoral, de los cuales 18 son tubulares, 68 mixtos, con profundidades que varían entre 11 y 135 m, y 30 son de tajo abierto, con profundidades de 6 a 40 m. Del total mencionado, 92 se encuentran en actual explotación.

En el distrito de Sama Las Yaras, el agua es abastecida por la Municipalidad de Tacna, aunque en opinión de algunos pobladores ésta tiene un alto costo y no abastece suficientemente a toda la población, por lo que tienen que recurrir a agua subterránea de pozos perforados, la cual es salada y transparente.

Entre las principales enfermedades que afectan a la población de Tacna, se encuentran las infecciones agudas de las vías respiratorias, enfermedades de la cavidad bucal, enfermedades infecciosas intestinales, desnutrición, enfermedades del esófago, del estomago y del duodeno, etc. (Tabla 3).

Tabla 3. Causas de morbilidad de la población de Tacna (2004)


289

METODOLOGÍA

Remoción de arsénico

Método de determinación de arsénico en laboratorio

La técnica de análisis utilizada para la determinación de arsénico se fundamenta en su reducción a arsina, utilizando cinc en solución ácida como reductor. La arsina es absorbida por una solución de dietilditiocarbamato de plata en piridina. La sal de plata reacciona con la arsina y se produce un complejo rojo. La absorción de las muestras a 540 nm fue leída en un espectrofotómetro UV-Visible Spectronic 21D, usando una curva de calibración.

Procedimiento de descontaminación en laboratorio

A 500 mL de agua con arsénico se adicionaron 10 gotas de jugo de limón (equivalente a 0,5 mL aprox.) y 0,5 mL de solución de Fe(II) de 5000 mg L-1 como sal de Mohr (la relación molar de Fe2+/citrato se varió en el rango de 0 a 10 ). El pH varió entre 7 y 7,4. La solución arsenical fue introducida en 4 botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET), las cuales se irradiaron con luz UV de una lámpara OSRAM Ultravitalux de 300 W por 4 hs. La potencia por unidad de área en la posición de la botella se midió con un radiómetro UDT S371R con un cabezal UVA sensible a 365 nm. La intensidad de la radiación fue aproximadamente constante durante el tiempo de irradiación, siendo ~7.5 mW cm.-2. Cada hora se retiró una botella y se dejó en la oscuridad en reposo durante toda la noche. Al día siguiente, el precipitado formado se filtró y se determinó la concentración de arsénico total presente en el agua.

Extracción y caracterización fisicoquímica del agua

Se realizaron diferentes muestreos en zonas como La Oroya y Tacna hasta encontrar aguas superficiales contaminadas de manera natural con arsénico (Figura 7). Para ello se realizaron viajes de muestreo y análisis in situ de agua subterránea y superficial con un equipo de análisis en campo para arsénico Merckoquant (un cuantificador colorimétrico que evalúa As desde 0,010 hasta 0,500 mg L-1).

Figura 7. (a) Muestreo en la zona de Sama Las Yaras; (b) grifo de agua utilizado por la población para consumo directo

(a) (b)


290

La concentración de arsénico se determinó luego con mayor precisión en el laboratorio por el método con dietilditiocarbamato de plata.

Descripción de las pruebas de campo para remoción de arsénico de aguas naturales por radiación solar

Los estudios de campo de la remoción de arsénico por oxidación solar se realizaron en Sama Las Yaras, Tacna. Las muestras fueron recolectadas de un pozo de riego tecnificado de donde se consume esta agua por pobladores que viven cerca del pozo (Figura 8).

Figura 8. Toma de muestra del pozo de riego tecnificado

Se tomaron 700 mL de agua del grifo de la institución educativa Carolina Freyre de Arias, en Sama Las Yaras, y se colocaron en 2 botellas PET transparentes limpias. Se agregaron 3 gotas de jugo de limón y 6 g de alambre, que proporciona el hierro necesario para la precipitación de arsénico al pH natural del agua. Se expusieron las botellas por 4 horas a la radiación solar (Figura 9a). Luego cada muestra se vertió a una botella grande para la precipitación y separación (Figura 9b).

Figura 9. (a) Modo de irradiación de las botellas PET llenas con agua de grifo, alambre de hierro y gotas de jugo de limón. (b) Botellas antes y después del tratamiento. Se observa el precipitado

oscuro conteniendo el arsénico, el cual se debe filtrar.

ANTES DESPUÉS

(a)


291

Desinfección bacteriana

Análisis de las aguas

Los estudios microbiológicos fueron realizados con el equipo Oxfam-Delagua, utilizando el método de membrana en el medio de cultivo LUREA BROTH. El sistema, luego de 18 hs. de incubación a 37 °C, permite el cultivo de E. coli y seudomonas.

En la Tabla 5 se detalla la metodología utilizada para la determinación de cada parámetro en agua, según el manual de Oxfam-Delagua.

Tabla 5. Parámetros determinados según el manual de Oxfam-Delagua

Parámetro Metodología Unidad Límite de detección

Conductividad Part 2510 Ba µS cm-1 0,1

pH Part 4500 Ha Unidad 0,01

Turbidez Part 2130 Ba UNT 0,1

Color Part 2120 Ba 1 m-1 0,1

Bacterias heterótrofas Part 9215 Ba UFC mL-1 1

Coliformes termotolerantes

Part 9222 Da UFC mL-1 1

Se determinaron parámetros de campo (temperatura, pH y conductividad) con el equipo multíparamétrico Universal Meter Multiline P4 WTW, y el color se determinó en laboratorio con el Spectroquant Merck SQ118, de acuerdo a métodos estándar (APHA, 1998).

Método de desinfección

Para la desinfección se utilizaron 6 botellas de PET transparentes, en cada una de las cuales se colocaron 500 mL de agua del manante Choqué.

Se impregnaron esferas de vidrio con TiO2 mediante una técnica sol-gel con isopropóxido de titanio en etanol. El depósito se realizó en esferas de vidrio “soda lime” de aproximadamente 1 mm de diámetro, seguido de un tratamiento térmico a 500 °C.

La eficiencia de desinfección por SODIS y FH fue evaluada empleando una botella de plástico PET con 500 mL de agua con contaminación natural de E. coli. Para ello se separaron en dos grupos de 3 botellas; el primer grupo estaba integrado por dos botellas con 500 mL de agua contaminada con E. coli y 40 g de TiO2 soportado en esferas de vidrio (M1 y M2) y una botella conteniendo 500 mL de agua contaminada que servía de control de la fotólisis. Este grupo fue sometido a irradiación solar sobre una superficie horizontal. El segundo grupo estaba formado por dos botellas conteniendo 500 mL de


292

agua contaminada con E. coli y 40 g de TiO2 soportado en esferas de vidrio (M3 y M4); y una botella conteniendo 500 mL de agua contaminada que servía de control de la fotólisis. Estas botellas fueron expuestas al sol en una superficie horizontal de papel metálico, con paredes laterales de 15 cm de alto y ~20° de inclinación con la normal, que llamaremos reflector (Figura 10).

Figura 10. Detalle del experimento en donde se compara la influencia del reflector


Descontaminación de arsénico en Sama, Tacna

En primer lugar, se realizaron estudios de remoción de arsénico por oxidación solar en muestras sintéticas. Se introdujeron 500 mL de soluciones de 200 µg L-1 y 500 µg L-1 de arsénico, 10 gotas de jugo de limón y 0,5 mL de Fe(II) 5000 mg L-1 en botellas PET, las que se irradiaron al sol por 4 hs. y se dejaron en la oscuridad durante toda la noche. Se filtró el precipitado y se determinó la concentración de arsénico total remanente en el agua. Las Figuras 11(a) y 12(a) muestran la irradiación solar en W m-2, mientras que en las Figuras 11(b) y 12(b) se presenta la componente ultravioleta-A (310-400 nm) de esta irradiación. Las Figuras 11(c) y 12(c) presentan los resultados de remoción, que fueron superiores al 80% en ambos casos.


293

Figura 11. (a) Irradiación solar global durante un experimento típico de remoción

de arsénico de agua sintética. (b) Componente UV de la radiación solar

medida entre 310 y 400 nm. (c) Remoción de arsénico. [As(III)]0 = 200 µg L-1.

Figura 12. (a) Irradiación solar global durante un experimento típico de remoción

de arsénico del agua. (b) Componente ultravioleta de la radiación solar medida

entre 310 y 400 nm (UV-A). (c) Remoción de arsénico. [As(III)]0 = 200 µg L-1.

El agua de Sama Las Yaras fue caracterizada fisicoquímicamente por más de 2 años, y los valores se muestran en la Tabla 6. Se observa que la concentración de arsénico sobrepasa los niveles máximos permisibles de la norma técnica peruana, que es 0,05 mg L-1; además, sólo un 10% del As total está compuesto por As(III), y el 90% restante es As(V).

0 30 60 90 120 150 180 210 240100200300400500600700800900

1000

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

glo

bal (

W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 24005

10152025303540

(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100

concentración in ic ia l de As: 200 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

T iem po (m in)0 30 60 90 120 150 180

0

20

40

60

80

100

Concentración inicial de As:500 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

T iempo (min)

0 30 60 90 120 150 180100200300400500600700800900

1000

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

(W/m

2 )0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

(b )

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )


294

Tabla 6. Características fisicoquímicas del agua en Sama Las Yaras, Tacna

Muestras de aguas de la zona de Sama Las Yaras fueron analizadas e irradiadas en el laboratorio bajo el sol por 4 horas. Se variaron ciertos parámetros como cantidad de hierro y de limón (Tabla 7). Los resultados de remoción se muestran en la Tabla 8 y en todos los casos fueron de 90% o mayores.

Tabla 7. Denominación de las muestras y condiciones de tratamiento

Muestras Condición de tratamiento

A 6 g de alambre y 3 gotas de limón

B 4 g de alambre sin limón

C 4 g de alambre y 1 gota de limón

D 4 g de alambre y 3 gotas de limón

E 4 g de alambre y 6 gotas de limón

“Sama Las Yaras”, agua potable Parámetros

Dic-2004 Feb-2005

Nov-2005

En-2006

Mar-2006

pH 7,16 7,1 7,15 7,0 7,54

Temperatura (°C) 26 27,5 20 21 20

Alcalinidad (mg HCO3- L-1) 4,64 9,27 307,3 151,3 153,1

Dureza total (mg CaCO3 L-1) 512 370 795 950 915

Sólidos totales (g L-1) 2,701 6,411 3,467 2,635 2,622

Sólidos disueltos (g L-1) 2,662 6,402 3,423 2,625 2,612

Turbidez (UNT) <5 <5 ------- ------ ------

Cloruros (g L-1) 0-466 0,477 ------- -------- ------

Conductividad (µS cm-1) 3160 3000 2612 2420 3510

As total (mg L-1) 0,160 0,143 0,173 0,149 0,126

As (III) (mg L-1) --------- ------ 0,016 0,012 nd


295

Tabla 8. Remoción de arsénico en muestras de agua tratada con diferentes proporciones de reactivos.

Para optimizar las condiciones de remoción, se cambiaron las concentraciones de hierro y limón nuevamente, pero las muestras fueron irradiadas en la misma zona donde fueron colectadas. Estos resultados se muestran en las Tablas 9 y 10. De acuerdo con estos resultados, la remoción con alambre es más efectiva que con solución de Fe(III) (Tabla 9). Con 3 g de alambre y 4 horas de irradiación sólo se necesitan tres gotas de limón para obtener un 95% de remoción de arsénico (Tabla 10).

Tabla 9. Resultados de las pruebas de remoción de arsénico en Sama Las Yaras en diciembre de

2004, febrero y noviembre de 2005, con diferentes tiempos de irradiación

Diciembre de 2004

Febrero 2005 Noviembre 2005

Tiempo

(hs.)

Solución Fe(III) y 10 gotas de jugo de limón

Solución Fe(III) y citrato (1,8/1 M)

Alambre y 10 gotas de jugo de limón

Alambre y 10 gotas de limón Alambre y 3 gotas de jugo de limón

Remoción (%)

Remoción (%)

(g) Remoción (%)

(g) Remoción (%)

Remoción (%) sin jugo de limón

(g) Remoción (%)

1 - - 3 92 2 30 46 3 94

2 16,7 31,4 6 >95 3 65 45 6 > 95

3 34,1 43,2 9 >95 6 81 65

4 37,1 53,8 12 >95

% remoción de arsénico

muestra A muestra B muestra C muestra D muestra E

Arsénico total

> 95% 90% 94% 95% 94%


296

Tabla 10. Resultados de las pruebas de remoción de arsénico en Sama Las Yaras en diciembre de 2005 y enero de 2006 con 4 horas de irradiación

Diciembre 2005 Enero 2006

Utilizando alambre de Fe Utilizando alambre de Fe

(g) Remoción (%) (3 gotas de limón)

Remoción (%) (sin limón)

(g) Remoción (%) (sin limón)

Remoción (%) (1 gota de limón)

Remoción (%) (3 gotas de limón)



3 95 95 4 90 94 95 94 95

6 >95 >95 6 ----- ------ >95 ---- ----

Con estos resultados, en marzo de 2006 se llevaron a cabo pruebas de descontaminación en la población de Sama a nivel domiciliario. Para ello se entregó a cada poblador un tríptico donde se detallaba todo el procedimiento para la remoción de arsénico del agua de consumo, usando botellas descartables de gaseosa transparentes, PET. Aunque los resultados no fueron positivos, la población se manifestó deseosa de llevar en práctica el método colaborando en la ejecución del mismo. El mayor inconveniente fue la gran nubosidad que impidió obtener el precipitado de hierro característico.

DESINFECCIÓN DE AGUA, PUENTE PIEDRA LIMA

Extracción y caracterización fisicoquímica y bacteriológica del agua

Se realizó una selección de las fuentes de abastecimiento de agua para la toma de muestras en base a una inspección y reconocimiento previos. Se seleccionaron dos tipos de fuentes: pozos de agua y manantes o “puquios”. Se eligieron 3 pozos de agua, dos en el distrito de El Callao, y uno en el distrito de Carabayllo. Los 3 manantes pertenecían a Puente Piedra.

En El Callao, los pozos elegidos estaban ubicados a la altura de la cuadra 40 de la Avenida Néstor Gambeta, Ventanilla. Dichos pozos son profundos, y usan una bomba eléctrica para la extracción. El agua obtenida se almacena en pozos superficiales que muestran condiciones antihigiénicas, y está expuesta al ambiente y a fuentes de contaminación como, por ejemplo, animales domésticos.

Los resultados obtenidos en el análisis microbiológico de estos pozos (Tabla 11) nos indican una presencia de bacterias heterótrofas (bacterias diversas presentes en el ambiente) y, en menor medida, de coliformes totales. No se contabilizó la presencia de coliformes fecales ni de E. coli.


297

Tabla 11. Análisis microbiológico de diferentes muestras de pozo en El Callao y manantes en Puente Piedra

Puente Piedra Néstor Gambeta, Callao Análisis microbiológico

Pozo 01 Pozo 02

Trapiche,

Carabayllo Choqué Tambo Inga

Sauces

Heterótrofos (UFC mL-1)

Coliformes totales (NMP/100mL)

Coliformes fecales (NMP/100mL)

E. coli (NMP/100mL)

30 x 102

33

<1.8

<1.8

70 x 10

17

<1.8

<1.8

30 x10

4

<1.8

<1.8

75 x10

92 x10

49 x 10

24 x 10

28 x103

24 x 103

24 x 103

21

52 x 102

49 x 102

49 x 102

20 x 10

En el distrito de Carabayllo, el pozo elegido se ubica en la avenida Trapiche, en el complejo deportivo “MURGA”. Es un pozo profundo del que se extrae agua por bombeo, se encuentra en condiciones aceptables de mantenimiento, y el agua se usa para consumo humano directo, sin tratamiento alguno. Los resultados obtenidos en el análisis microbiológico demuestran la presencia de bacterias heterótrofas y coliformes totales.

Los tres manantes estudiadas pertenecen al distrito de Puente Piedra, y son fuentes de agua de abastecimiento y consumo directo. El “puquio” Choqué se encuentra en la zona industrial (Figuras 13 y 14), el “puquio” Tambo Inga en la zona de San Remo, y el “puquio” Sauces en la zona de Gallinazos.

Figura 13. Muestreo de agua del “puquio” Choqué para el análisis microbiológico

Figura 14. Detalle de la zona en donde se muestra el naciente de agua del naciente

Choqué

Los tres “puquios” están expuestos totalmente al ambiente, sin ningún tipo de protección. Los pobladores acceden a estas fuentes de agua de manera directa para


298

abastecerse, incluso entrando con zapatos. Se observó en algunos casos que bañan a sus mascotas, lavan su ropa, etc. En casi ninguno de estos nacientes de agua se observó protección alguna. Cabe señalar que en esta zona la napa freática está muy próxima a la superficie, y en el caso del naciente Choqué se encuentra próximo a un canal de desagüe (Figura 14). Los resultados obtenidos del análisis microbiológico demuestran que estos tres manantes se encuentran contaminados.

Las concentraciones de heterótrofos y de coliformes totales son altas, y la más contaminada con estos microorganismos es la muestra del “puquio” Tambo Inga. En estas muestras se han encontrado coliformes fecales en cantidades considerablemente altas; E. coli se encontró en las tres muestras, siendo la más contaminada la tomada en el “puquio” Choqué.

De acuerdo a la Norma Técnica Peruana y la Ley General de Aguas, estas muestras no son aptas para consumo humano, porque estas regulaciones no aceptan la presencia de coliformes totales, E. coli y recuento de heterótrofos en tales cantidades.

El análisis fisicoquímico del agua del “puquio” Choqué se detalla en la Tabla 12. Tabla 12. Características fisicoquímicas del agua del “puquio” Choqué, Puente Piedra

Parámetros Resultados

pH 7,4

Temperatura 21 °C

Alcalinidad 156 mg L-1 HCO3-

Dureza total 496 mg L-1 CaCO3

Sólidos disueltos 0,9636 g L-1

Sólidos totales 0,9984 g L-1

Conductividad 760 µS cm-1

Turbiedad 055 UNT

Plomo 0,01 mg L-1

Cadmio 0,00 mg L-1

Cobre 0,00 mg L-1

Sulfatos 2,40 mg L-1


305

Cloruros 70,00 mg L-1

Nitratos 44,64 mg L-1

Sodio 5,00 mg L-1

Manganeso 0,00 mg L-1

Cinc 0,00 mg L-1

Los ensayos fueron realizados en la Universidad Nacional de Educación “Enrique Guzmán y Valle” UNE (La Cantuta), y los análisis microbiológicos en el laboratorio de investigación de la Facultad de Ciencias Biológicas de la misma Universidad. En los experimentos de desinfección se utilizaron 6 botellas PET transparentes, con 500 mL de agua del manante Choqué en cada botella. Las muestras fueron irradiadas por dos horas y los resultados de radiación solar, desinfección y recrecimiento de E. coli se detallan en las Tablas 13 y 14. Se observa que en el caso de fotólisis se alcanzó un 47,05% de desinfección después de dos horas de exposición, mientras que las muestras sometidas a fotocatálisis heterogénea con TiO2 soportado en esferas de vidrio (M2, M3, M4 y M5) resultaron en un porcentaje de desinfección mucho mayor. En el caso de fotólisis existe un recrecimiento de 97% después de 24 hs., de 76% después de 72 hs. y de 94% después de 6 días. En contraste, los porcentajes de recrecimiento de las muestras M2, M3, M4 y M5 son mucho menores y no exceden el 50% en todos los días evaluados. Tabla 13. Radiación solar a diferentes horas; la primera columna corresponde a la radiación solar

global, la segunda columna a la componente UV.

Hora solar W m-2 mW cm-2

11,03 974 3,320

11,37 999 3,765

12,06 997 3,386

12,32 987 5,411

13,54 818 4,208

14,17 753 2,518

14,50 623 2,951

16,01 322 1,934


300

Tabla 14. Desinfección con TiO2 soportado sobre esferas de vidrio

Tambo Pariachi, Huaycán, Lima

El asentamiento humano Tambo Pariachi en Huaycán, está situado en la periferia de Lima, en el km 15 de la carretera central. Allí, el agua para el consumo diario se extrae de pozos artesianos, tal como se ve en la Figura 15.

Figura 15. Pozo artesiano en el asentamiento humano Tambo Pariachi en Ubican, situado en la periferia de Lima, km 15 de la carretera central. Nótese la cercanía del río Rimac.

En la Figura 16 se observa la irradiación solar (a) y la concentración de coliformes normalizada (b) con respecto a la concentración inicial, CO, durante un experimento típico de descontaminación de agua con radiación solar (sin TiO2). Se puede observar que aproximadamente a las 2 horas de irradiación se ha destruido aproximadamente el 90% del total de coliformes, llegándose a la desinfección total del agua en aproximadamente 5

E. coli (UFC/10 mL)

Tiempo Fotólisis M1 M2 M3 M4 M5

Control inicial 34 34 34 34 34 34

45 min. 25 17 9 25 11 22

2 hs. 18 10 3 8 7 9

Control final 35 35 35 35 35 35

24 hs. 33 13 10 16 17

48 hs. 26 2 2 3 4

144 hs. 32 1 4 12 3

Río Rimac


305

horas de irradiación. Asimismo se observa que el incremento de temperatura por el efecto de pintar la cara inferior de las botellas con pintura negra es de 5 °C.

Figura 16. (a) irradiación solar, (b) temperatura medida en botellas transparentes () y en botellas pintadas externamente en su mitad inferior de negro (), (c) concentración de E. coli normalizada (C/Co), en botellas transparentes () y botellas pintadas de negro en la mitad inferior () durante un

experimento típico de descontaminación de agua. C0 es la concentración inicial de E. coli.

20

25

30

35

40

45

(b)

Botellas pintadas la mitad con negro de humo botellas de plastico transparente

Tem

pera

tura

(°C

)

100

200

300

400

500

60012 13 14 15 16

(a)

Hora de irradiación (pm)

Irradiación solar

Irra

diac

ión

sola

r (W

/m2 )

0 60 120 180 2400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 (b)

Co=1800 NMP/ml de E-coli

PET PET+IR

C/C

o

Tiempo en irradiación (min)

(c)


302

La Tabla 15 muestra los resultados de un experimento típico de desinfección. Se observa mayor porcentaje de mortandad de la población de E. coli en las muestras sometidas a FHS, llegándose a la desinfección casi completa a las 3 horas y 59 minutos de exposición, observándose un porcentaje de mortandad de E. coli mucho menor en el caso de la fotólisis. Respecto del recrecimiento a las 24 y 48 horas, se observa que en las muestras con TiO2 el recrecimiento es menor que en ausencia del fotocatalizador. En el caso de las muestras expuestas sobre el reflector, la eficiencia de degradación bacteriana fue mayor en todos los casos. Los sistemas alcanzan aquí una temperatura de 43 °C. Respecto del recrecimiento luego de 24 y 48 horas, no se observa en la muestra M3, la muestra M4 presenta recrecimiento aunque con tendencia a disminuir, y en el caso de la fotólisis existe recrecimiento considerable comparado con la muestra M4.

Tabla 15. Degradación fotocatalítica bacteriana luego de un experimento realizado con y sin reflector.

Sin superficie reflectante

E. coli (UFC/10 mL)

Con superficie reflectante

E. coli (UFC/10 mL)

Tiempo Fotólisis M1 M2 Fotólisis M3 M4

Control inicial 140 140 140 140 140 140

34 minutos 90 103 91 96 89 123

2 hs. 13 min. 43 0 20 5 0 25

3 hs. 59 min. 17 0 4 0 0 0

Control final 138 138 138 138 138 138

Recrecimiento, 24 hs. 40 8 4 51 0 6

Recrecimiento, 48 hs. 19 1 4 8 0 2

La Tabla 16 muestra resultados de un experimento de desinfección (22-25 W m-2 de radiación solar, medida entre 310-400 nm), donde se compara entre SODIS y FH con esferas de vidrio recubiertas con TiO2 y FH con suspensión de P-25. En todos los casos, se observó un decrecimiento de la población bacteriana. Sin embargo, en el caso de las esferas, los resultados fueron mejores que los de SODIS y estuvieron entre los obtenidos utilizando 1 y 2 mg L-1 de TiO2 Degussa P-25.

Tabla 16. Degradación fotocatalítica bacteriana realizada utilizando un catalizador y diferentes concentración de TiO2 Degussa P-25.

SODIS

E. coli (UFC/10mL)

Fotocatálisis Heterogénea con TiO2 (FH)

E. coli (UFC/10mL)

Tiempo Esferas de vidrio 1mg L-1 TiO2 2mg L-1 TiO2


305

con TiO2

Control inicial 39 39 36 36

1 hr. 26 min. 32 14 28 17

2 hr. 52 min. 27 4 5 1

Control final 45 45 33 33

Finalmente se evaluó el sistema con reflector luego de 4 hs. de tratamiento, y se observó que en todos los casos hubo desinfección. Sin embargo, el recrecimiento a las 24 hs. muestra que en los experimentos con TiO2 se obtiene un mejor control del recrecimiento que con solamente fotólisis. A las 48 hs. todos los sistemas bacterianos están en franco declive por la falta de materia orgánica para la alimentación de las bacterias (Tabla 17).

Tabla 17. Muestras expuestas al sol sobre el reflector

Tiempo Fotolisis* UFC/10 mL

M3

TiO2 UFC/10 mL

M4

TiO2 UFC/10 mL

Control inicial 140 140 140

34 min. 96 89 123

2h 13 min. 5 0 25

4 horas 0 0 0

Control final 138 138 138

Recrecimiento 24 hs. 51 0 6

Recrecimiento 48 hs. 8 0 2

ASPECTOS SOCIALES DEL PROYECTO

El primer aspecto social relevante en este proyecto fue la caracterización fisicoquímica y bacteriológica de las aguas de los centros en estudio, ya que en base a los resultados se informó la situación a las autoridades. En algunos casos, como en Sama Las Yaras, las autoridades facilitaron luego el transporte necesario para la investigación. Los representantes de los centros de salud de los sitios estudiados fueron contactados a fin de compenetrarlos en la problemática del consumo de agua no segura e inducirlos a tomar medidas para su prevención y solución. Mostraron interés en los resultados obtenidos.


304

Los objetivos del proyecto han sido no solamente la ejecución de actividades científico-tecnológicas, sino la realización de esfuerzos por difundir y diseminar los avances mediante actividades sociales con las comunidades, con el fin de impulsar las metodologías. Para ello, se han realizado talleres y establecido contactos con diferentes organizaciones, con el fin de diseminar la información.

Con el objetivo de iniciar campañas para la aplicación de las tecnologías y su replicación en otras localidades con problemas parecidos, se ha iniciado un trabajo conjunto con un representante de una ONG para evaluar la tecnología de remoción solar de arsénico en aguas de la provincia de El Collao. Asimismo, la ONG CECADE viene evaluando los diferentes sistemas de desinfección solar en Yaurisque, Cusco y realizando encuestas en diferentes zonas de la provincia de Paruro, Cusco, para obtener información sobre las condiciones en que llega el agua a los pobladores y su opinión sobre la posibilidad de tener acceso a un sistema alternativo de descontaminación. Se observa una situación auspiciosa para la diseminación de las tecnologías desarrolladas en el presente proyecto.

Se han realizado diferentes talleres para educar a la población sobre estas tecnologías (Figuras 17, 18 y 19).

.

Figura 17. Preparación de muestra para irradiación solar de aguas naturales con hierro y jugo de limón para remoción de

arsénico

Figura 18. Indicando la posición de las botellas al sol

Figura 19. Reunión con pobladores de Asociación Agropecuaria Amopaya: exposición del trabajo

Asimismo, el grupo ha realizado dos talleres durante el desarrollo del proyecto. Uno de ellos, denominado Taller Internacional “Nuevas tecnologías para la desinfección y descontaminación de agua”, se realizó en Lima el 14 de noviembre de 2003, con la


305

asistencia de especialistas de quince países y financiado por la Unión Europea. El mismo taller fue replicado en el Cusco como parte del X Simposio Peruano de Energía Solar, entre el 14 y el 17 de noviembre de 2003. El segundo taller se denominó “Nuevas tecnologías para la descontaminación y provisión de agua en zonas rurales”, y fue realizado entre los días 13 y 14 de julio de 2006 en la ciudad de Lima. Este evento fue organizado por el Instituto Peruano de Energía Nuclear y contó con el auspicio del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONCYTEC).

CONCLUSIONES

Se comprobó que la aplicación del método SORAS en aguas reales es factible, ya que los resultados en Sama Las Yaras en Tacna, con remociones de hasta 95% así lo demuestran. Sin embargo, el método es muy dependiente de la composición del agua a ser tratada.

Los resultados de desinfección solar en botellas resultan promisorios, y se ha mejorado la tecnología SODIS con la inclusión de esferitas de vidrio cubiertas con TiO2. El uso de fotocatálisis ha reducido el tiempo de tratamiento en aproximadamente un 20% y ha logrado limitar el recrecimiento bacteriano luego de finalizado el tratamiento, con la ventaja adicional de que podría eliminarse simultáneamente contaminación biológica, As y contaminación orgánica.

Sin duda alguna, lo logrado hasta el momento no es sino uno de los primeros pasos dados en el camino hacia la mejora de la calidad de vida de las poblaciones en zonas rurales, caracterizadas por estar generalmente dispersas y con poca posibilidad de lograr los beneficios del Estado. Esto ocurre debido a razones tan diversas como el desconocimiento del problema, la imposibilidad de llegar a estas zonas con soluciones convencionales, que son inviables para una zona geográficamente agreste y con una densidad poblacional muy baja.

REFERENCIAS

Third World Academy of Sciences (2002): Safe drinking water: the need, the problem and an action plan. Report of the Third World Academy of Sciences.

Organización Panamericana de la Salud (2005): Situación de la salud en las Américas, indicadores básicos. Organización Panamericana de la Salud.

A.G. Rincón, C. Pulgarin (2004): Field solar E. coli inactivation in the absence and presence of TiO2: is UV solar dose an appropriate parameter for standardization of water solar disinfection? Sol. Energy, 77, 635-648.

E. Carpio, P. Zúñiga, S. Ponce, J. Solís, J. Rodríguez y W. Estrada (2005): Photocatalytic degradation of phenol using TiO2 nanocrystals supported on activated carbon. J. Mol. Catal. A: Chem., 228, 293-29.

M. Quintana, J. Rodríguez, J. Solís y W. Estrada (2005): The influence of the ethanol/water molar ratio in the precursor solution on morphology and photocatalytic activity of Pyrolytic ZnO films. Photochem. Photobiol. 81, 783-788.

J. Díaz, J. Rodríguez, S. Ponce, J. Solís y W. Estrada: Solar photocatalytic water decontamination of phenol using pyrolitic TiO2 films deposited inside a tubing. J. Solar Energy Eng., en prensa.


306

M. Castro de Esparza (2004): Presencia de arsénico en el agua de bebida en América Latina y su efecto en la salud publica. Tercer Seminario Internacional sobre Evaluación y Manejo de las Fuentes de Agua de Bebida contaminadas con Arsénico, Universidad de Chile. Santiago, Chile, 08 - 11 de noviembre de 2004.

M.A. Blesa (ed.) (2001): Eliminación de contaminantes por fotocatálisis heterogénea. CYTED, La Plata, Argentina.

Programa de Lucha Contra La Pobreza en Lima Metropolitana: www.propoli.org. Ministerio de Salud del Perú: www.minsa.gob.pe/estadisticas. APHA (1998): Standard methods for examination of water and wastewater, 20th ed.

American Public Health Association, Nueva York.

Jorge, Venero, Díaz, Carpio, Zúñiga, Maurtua, Cristóbal, Galarza, Quintana, Ponce, Solís, Rodríguez and Estrada

307

10

The Peruvian experience with water disinfection and decontamination using solar energy

Clido Jorge1, Jackelin Venero1, José Díaz1, Edward Carpio1, Patricia Zúñiga1, Dora Maurtua2, Ruth Cristóbal2, Patricia Galarza2, Maria Quintana3, Silvia Ponce1, José Solís1,3, Juan Rodríguez1,3 y Walter Estrada1,3

1Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Peru

2Universidad Peruana Cayetana Heredia, Lima, Peru

3Instituto Peruano de Energía Nuclear, Lima, Peru

[email protected]

SUMMARY

Laboratory and field tests have been carried out to study the application of disinfection techniques by solar photolysis (SODIS) and solar photocatalysis (SHP) and arsenic removal from water by solar oxidation (SORAS). For the implementation of these techniques, two areas were selected: one in the industrial area of the District of Puente Piedra, Lima, with high levels of bacterial contamination (Choqué spring), and a second one in Sama Las Yaras, Tacna, with arsenic natural contamination. In the case of bacteria-contaminated water, both methods yielded water suitable for human consumption. However, the SHP method represents an improvement with regard to the SODIS method, not only in disinfection times but also in the limiting effect of bacterial re-growth after the treatment. The application of the SORAS method to real waters proved to be feasible, since in Sama Las Yaras removal rates of up to 95% were obtained. On the other hand, approaches to the community have been made through informative workshops carried out at the locations to inform inhabitants about the project and the quality of the water they consume. At the same time, joint activities with an NGO are being developed aimed at analyzing how viable the application of these techniques is for wells in the Department of Puno.


308

INTRODUCTION

Drinking water is a highly scarce commodity in the world. Of the estimated 1.4 billion cubic kilometers of water on the Earth, 97.6% is salty water, 2.38% is frozen as ice or glaciers, and only approximately 0.024% is on the surface and can be used for human consumption. Of the 6 billion people that live on Earth, more than 1 billion is affected by this situation, and around 2.5 billion have no access to a suitable sanitation service. This means that more than 6 million children die each year because of diseases that have their origin in the water they consume.

Today, 31 countries with an accumulated population of 2.8 billion people have water problems. In South America, only Peru has water scarcity problems (Figure 1), with the added inconvenient that every 10 years our population increases in approximately 15%.

Figure 1. Water availability in the world (Third World Academy of Sciences, 2002)

According to the Pan-American Health Organization (Pan-American Health Organization, 2005), 81% of the population of Peru has access to drinking water, whereas sanitation services reach 62% of the inhabitants. However, an itemized analysis of these percentages gives a clearer idea of the actual situation of rural areas, where only 66% of the population has access to drinking water and not more than 33% has access to sanitation services, with the added issue that a great percentage of the population receives intermittent supply and have unsuitable storage systems. There is a direct relation between child mortality (for every 1,000 children born alive) versus access to water and sanitation (% of population) (Pan-American Health Organization, 2005); thus, in American countries such as the United States, where access to water and sanitation reaches 100% of the population, child mortality is around 7/1,000, whereas in countries such as Chile, where these services are not so readily available (93.5%), child mortality slightly increases to 10/1,000. In the case of Peru, child mortality is 33/1,000, which is extremely high and above the mean value in the area for Andean countries (25.6%) or the average for Latin America (24.9%). This situation is worsened by the fact that water contamination is an extremely serious problem; its effects on health can be observed daily in the population that consumes contaminated water. For this reason, the application of solar technology to the degradation of water contaminants has been in the spotlight of scientific attention during the last years (Rincón and Pulgarin, 2004; Carpio et al, 2005;


309

Quintana et al, 2005; Díaz et al, in press), mainly due to its potential application in rural areas, which are characterized for their low population density and lack of basic services. This technology is very promising because of its low cost, easy implementation, and the possibility of using solar irradiation – which is relatively frequent and intense in Peru due to its geographic location. The main component used is the UV-A radiation (310-400 nm).

In urban environments in Peru there are high levels of hydric contamination. The Rimac River can be mentioned as an example, with a concentration of coliforms four times the level allowed by the World health Organization. For inhabitants below the poverty line, the traditional method of boiling water may not be a suitable purification solution, basically because of their lack of economic resources. The situation is worsened by the lack of well-established water purification techniques, so the search for new technologies that may help alleviate these problems is of the utmost importance. In this context, innovative procedures are needed to tackle the problem. The loss of water quality is critical in some regions, and it is mainly caused by the contamination with effluents from industry production activities – particularly mining and metallurgy, which become contamination vectors, as in the case of mining tailings in La Oroya, Department of Junín, in the central hill of Peru – and with domestic and agrochemical wastes. There are also cases of natural contamination, as in the case of arsenic in the southern region of Peru. For example, the Aricota lagoon has effluents that go through the Yucamane volcano, which seems to be the contamination point source for these waters (Castro de Esparza, 2004) and which is due to geological factors, specifically volcanic activity (Blesa, 2001).

Arsenic is a poison for human beings, and in high doses (more than 60 mg L-1 in food or water) can be fatal. Lower levels (between 0.3 and 30 mg L-1 in food or water) can cause irritation of the stomach and intestines, nausea, vomits and diarrhea, among others. According to the US Environmental Protection Agency, prolonged exposure to arsenic levels of 50 µg L-1 can cause skin cancer in 31 out of 1,000 inhabitants. The intake of arsenic during long periods of time through exposure to contaminated water causes skin cancer, gland cancer, cancer of the urinary system, changes in skin pigmentation, etc.

This work assesses the use of the solar decontamination technique (SODIS) for water, the solar heterogeneous photocatalysis (SHP) technique, and the technique of arsenic removal by solar oxidation (SORAS). SODIS consists in the solar irradiation of contaminated water contained in plastic bottles (discarded recipients of commercial drinks); after the process, water suitable for human consumption is obtained. Heterogeneous photocatalysis (HP) is a photochemical process that is part of the novel advanced oxidation technologies. The heterogeneous photocatalysis process is based on a catalytic reaction that involves the absorption of light by a semiconductor, TiO2 (catalyst), and is capable of degrading organic contaminants. TiO2 nanoparticles, mainly those of anatase phase, are being used as photocatalysts due to their efficiency and low toxicity, as well as the large effective area of catalyst they offer. Finally, the SORAS method is based on the formation of a complex of citrate of Fe(III) that allows the oxidization of As(III) to As(V) through the formation of active species by photo-radiation with sunlight in the presence of oxygen. As(V) is strongly adsorbed on the iron hydroxide precipitate formed under those conditions, and flocculates.


310


For the selection of the locations, the existence of scattered populations that have no connection to drinking water supply networks and with unfavorable socioeconomic conditions was taken into account. Hydric stress conditions, that, as in the case of Tacna, are typical in the area, were also considered. A history of high levels of arsenic in human consumption waters was also considered, as well as the availability of high levels of solar radiation during most of the year and a relatively easy accessibility to the sites selected to carry out field tests. Detailed information from the study of two regions, one in the periphery of Lima (Tambo Pariachi and Puente Piedra) and the other in Sama Las Yaras, Tacna, is presented.

Puente Piedra

The district of Puente Piedra is located to the north of Metropolitan Lima, at 184 masl, with a total extension of 71.18 km2. It can be considered as a suburban district whose agricultural lands are gradually turning into urbanizations and human settlements. It is on the basin of the Chillón River (Figure 2). Geographically, it is located in the Department of Lima, approximately in the intersection between parallel 11°51’43’’ S and meridian 77°04’34’’ W. It is at a distance of 28 km from Lima and its surrounding area.

The average temperature in Puente Piedra during summer months (mid December to mid March) is 25 °C. In winter, days are usually gray, clouded, and quite humid. The average temperature fluctuates between 12 and 15 °C.

The soils of Puente Piedra have been formed by alluvial sediments settled on rocky basements and divided into 2 groups: one that is scarcely permeable, composed by silts, clays, fine and sharp sand and small stones, corresponding to the areas of San Lorenzo Pancha Paula, Copacabana, El Gramadal, Las Vegas and Tambo Inga, and a second one of fairly permeable material, composed by clays and fine and sharp sand, corresponding to the areas of La Esperanza, Fortín, Choqué, Gallinazo, Shangri-La and Chillón.

Figure 2. Maps of the district of Puente Piedra, Province of Lima

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

ÑÑ

Ñ

Ñ

C.S. Zapallal

P.S. Jerusalen

P.S.San Jose

C.S. Las Animas

C.S. Santa Rosa

P.S. La Ensenada

C.S. Los Sureños

P.S. Villla Estela

Hospital Puente Piedra

P.S. Laderas de Chillón

P.S. Virgen de las Mercedes

P.S. San Pedro de Carabayllo

C.S Ancon

ÑP.S Juan Pablo II

Panamericana Norte

Panamericana Norte

Rio

Chi

llon

CARABAYLLO

SANTA ROSA

ANCON

PUENTE PIEDRA

OCEANO PACIFICO

VENTANILLA

CHANCAY

CALLAO

S M P

COMAS

CANTA

N

EW

S

261000

261000

270000

270000

279000

2790008676

000 8676000

8685

000 8685000

8694

000 8694000

8703

000 8703000

8712

000 8712000


311

In this area, the phreatic layer is very near the surface. The Choqué spring is near a sewage discharge channel, Tambo Inga is located in the area of San Remo, and Sauces is in the Gallinazos area. All three of them are completely exposed to the environment and present bacterial contamination.

According to the Ministry of Health, the population of Puente Piedra is 183,076 inhabitants, with 49% women (Figure 3). The growth of human settlements (HHSS) in Puente Piedra has been fast: from 63 HHSS in 1993 to 113 HHSS in 2003, which have no urban planning and are located in high areas with difficult access and narrow streets that are not suitable for large vehicles.

Figure 3. Population by sex in Puente Piedra according to the census of 1993 and 2005 (Programa de Lucha Contra la Pobreza en Lima Metropolitana (PROPOLI), 2005)

It should be noted that the district of Puente Piedra has a significant commercial, industrial and services sector that is located mainly along the Northern Pan-American road, and to a lesser extent a non-metallic mining and agricultural sector. It has 20 markets, one used as stocking market, which allows the commercial exchange of basic products with other districts and at the same time generates related activities of general services. It has a major stockbreeding area for milk production that is grouped as an association with legal status, and vast areas along the Chillón valley, such as San Lorenzo, Carabayllo and Gallinazos, that supply the north cone.

There are also non-metallic mining concessions that, as a consequence of the extraction of clayey materials and sand, generate quarries that may be exploited the future.

There are in the district 9 health institutions: the Puente Piedra hospital, 5 health dependencies and 3 health centers that do not have a waste disposal service.

Among the main diseases affecting the population of Puente Piedra, acute rhinopharyngitis, acute bronchitis, acute pharyngitis, unspecified asthma, allergic asthma, pulpitis, essential hypertension and urinary infection, are found (Figure 4). During the first

49,8%50,2%

49%

51%

48,0%

48,5%

49,0%

49,5%

50,0%

50,5%

51,0%

1 2

49,8%50,2%

49%

51%

48,0%

48,5%

49,0%

49,5%

50,0%

50,5%

51,0%

1 2Census 1993 Census 2005

males females


312

semester of 2006, cases of pronunciation specific disorder and lumbago have been reported (PROPOLI, 2005).

Figure 4. Main morbidity causes by sex in Puente Piedra in 2005

Most areas of Puente Piedra do not have basic services due to the lack of legal physical sanitation of associations. Figure 5 shows alternative water supply methods used by this population. As it can be seen, the most common alternative is the use of cistern trucks, which supply a total of 144,099 inhabitants representing 69.4% of the population with no home connection.

Figure 5. Water supply methods in Puente Piedra (PROPOLI, 2004)

53%

50%

53%

54%

15%

52%

42%

52%

31%

34%

47%

50%

47%

46%

85%

48%

58%

48%

69%

66%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%


Faringitis aguda

Bronquitis aguda





Asma Alérgica


Pulpitis

53%

50%

53%

54%

15%

52%

42%

52%

31%

34%

47%

50%

47%

46%

85%

48%

58%

48%

69%

66%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%


Faringitis aguda

Bronquitis aguda





Asma Alérgica


Pulpitis

males females

Acute bronchitis

Acute rhynopharyngitis

Acute pharyngitis

Non-specified asthma

Urinary tract infections

Intestinal infections

Unknown morbidity causes

Allergic asthma

Hypertension

Pulpitis

Others (springs, rivers, etc.)

Wells

Water trucks

Public pools


313

Tambo Pariachi, Ubican, Ate-Vitarte

The human settlement “Huaycán” is located in the district of Ate-Vitarte, in the east cone of Metropolitan Lima. It has an urban area of 576,696 hectares. It was founded on July 15, 1984 with an initial population of 4,000 inhabitants, and it currently has a population of approximately 100,000 inhabitants. Many of them are immigrant families that left the Sierra because of the terrorist violence of the eighties, and there are also poor families from slum neighborhoods of the capital city, Lima. Studies and diagnosis of the Ate-Vitarte district show that the town of Huaycán presents extreme poverty indexes of up to level 5. Poverty affects large sectors of the population, and a key factor is the lack of employment and the low income level that inhabitants receive for the survival activities they carry out. However, the population is characterized for a dynamic effervescence for generating economic activities that, many of them being survival activities, allow inhabitants to set the basis for a stage aimed at improving their quality of life within a social organization that is becoming stronger.

Sama, Tacna

The second study area is located on the basin of the Sama River in Tacna, in southern Peru, between parallels 16°58’00’’ and 18°21’34.8’’ S and meridians 60°28’00’’ and 71°00’02’’ W, at 1,293 km from Lima. It is located in the head of the desert of Atacama, whose essential characteristic is hyperaridity, which strongly limits the use of hydric resources for agricultural activities and human consumption. During the last 20 years the region has been facing a serious deterioration problem in the water availability/demand ratio, which is reflected by a deficit of 10.53 m3 seg-1. The area gets water from the basins of Caplina, Uchusuma, Sama and Locumba, with one underground resource n the sector of La Yarada (Figure 6). The district of Sama Las Yaras was selected based on the high levels of arsenic present in consumption waters extracted from the subsoil. The different communities included in the sampling process consume waters that are not treated in any way for human consumption. These waters are turbid (Calientes, Sama Inclán), have high contents of salts (Sama Las Yaras and Amopaya) and, in some cases, present contamination caused by inadequate storage (La Yarada).

The climate of the area is temperate. The mean temperature is 17 °C, with a maximum of 22 °C in January and February. In the city of Tacna, the average temperature in summer is 23 °C, with a maximum of 28 °C, and the minimum temperature in winter is 8 °C.

The population for each province and district of the Department of Tacna is detailed in Table 1, whereas Table 2 shows male and female population percentages.

In the regional context, Tacna is the most important political, administrative, commercial and services center of the department that bears the same name. It is the center of public and private institutions of the department, and it has a financial, commercial and hospitality system that sustains the relations and flows of economic activities developed by the city around the free trade zone (ZOFRA) of Tacna.


314

Figure 6. Location of the study area in Tacna, Peru

The economy of both the department and the city of Tacna has traditionally been boosted by commercial activity. Currently, it is greatly dependent on the movement of ZOFRA-Tacna (previously CETICOS-Tacna) and its commercial zone constituted by the province of Tacna. Commercial activity brought about a need to develop all kinds of service infrastructures; in 2000 it was estimated that three quarters of the population of Tacna came from other departments of the country. Market growth is also remarkable: in 1980 there was a total of 6 markets, in 2002 there were 22 central markets on record.

The industrial activity of the city of Tacna has notably decreased, from 155 companies that were set between 1964 and 1993 to only six companies in 2000 due to the change in tax incentives for industries located in the jungle and on the border that had been granted during the eighties. For this reason, the Industrial Park of Tacna is underutilized, with very few really industrial companies.

The migratory movement of Chilean tourists and the population movement from within the country that visit Tacna mainly for commercial reasons have resulted in a notorious increase in hospitality and food services in the city.

As regards health services, Tacna has 2 hospitals: the Hipólito Unanue hospital, with 291 beds available (administered by the Ministry of Health) and the Daniel Alcides Carrión hospital, with 60 beds available (administered by EsSalud). There are also 12 health centers, 21 health dependencies, 4 private clinics, 102 private consultations, and 2 sanitation health centers (Military and Police).

Calientes

Inclán

Sama las Yaras

La Yarada

Amopaya


315

Table 1. Estimate population by province and district (Ministry of Health of Peru)

Table 2. Population of the Province of Tacna by sex (2000)

Town Male Female

Tacna 51% 49%

Alto de la Alianza 50% 50%

Calana 55% 45%

Ciudad Nueva 51% 49%

Anclan 55% 45%

Pachia 58% 42%

Palca 55% 45%

Pocollay 52% 48%

Sama 58% 42%

Province District


316

The most important resource of the Tacna valley for its agricultural development and human consumption in the short term is groundwater. The survey carried out has determined that there are in the Tacna valley 116 wells located in the area between Calana and El Litoral, with 18 tubular wells, 68 mixed wells whose depths vary between 11 and 135 m, and 30 open cut wells whose depths vary between 6 and 40 m. Of these 116 wells, 92 are currently being exploited.

In the District of Sama Las Yaras, water is supplied by the municipality of Tacna, although some locals argue that the cost of this service is high and not enough for the entire population: This forces them to resort to drilled wells for groundwater, which is salty and clear.

Among the major diseases that affect the city of Tacna, acute infections of the respiratory tract, infections of the oral cavity, intestinal infectious diseases, malnutrition, esophagus, stomach and duodenum diseases, among others, can be mentioned (Table 3).

Table 3. Morbidity causes in the city of Tacna (2004) MAIN GROUPS OF MORBIDITY CAUSES RECORDED IN EXTERNAL CONSULTATION

TACNA HEALTH DISTRICT – YEAR: 2004 TOTAL MALE FEMALE RD. GROUP OF CAUSES

No. CASES

% No. CASES

% No. CASES

%

TOTAL 278,540 100.00 118,672 100.00 159,868 100.00 1. Acute infections of the upper respiratory tract (J00-J06)

70,632 25.36 34,260 28.87 36,372 22.75

2. Oral cavity, salivary glands and maxillary diseases (K00-K14)

40,478 14.53 16,593 13.98 23,885 14.94

3. Intestinal infectious diseases (A00-A09) 19,550 7.02 10,040 8.46 9,510 5.95 4. Other acute infections of the lower respiratory tract (J20-J22)

11,669 4.19 5,683 4.79 5,986 3.74

5. General symptoms (R50.R69) 10,171 3.65 5,063 4.27 5,108 3.20 6. Malnutrition (E40-E46) 8,047 2.89 3,847 3.24 4,200 2.63 7. Esophagus, stomach and duodenal diseases (K20-K31)

6,472 2.32 1,807 1.52 4,665 2.92

8. Dermatitis and eczema (L20-L30) 6,276 2.25 2,809 2.37 3,467 2.17 9. Chronic diseases of the lower respiratory tract (J40-J47)

5,570 2.00 2,544 2.14 3,026 1.89

10. Obesity and other types of hyper-alimentation (E65-E68)

5,089 1.83 1,244 1.05 3,845 2.41

Other causes 94,586 33.96 34,782 29.31 59,804 37.41 ENTITY: DAILY RECORD OF HEALTH ACTIVITIES MINISTRY OF HEALTH – STATISTICS AND INFORMATION OFFICE


317

METHODOLOGY

Arsenic removal

Laboratory arsenic determination method

The analysis technique used for the determination of arsenic is based on its reduction to arsine, using zinc in acid solution as reducing agent. Arsine is absorbed by a solution of silver diethyldithiocarbamate in pyridine. The silver salt reacts with the arsine and produces a red complex. The absorption of samples at 540 nm was measured with a Spectronic 21D visible-UV spectrophotometer using a calibration curve.

Laboratory decontamination procedure

10 drops of lemon juice (equivalent to 0.5 mL approx.) and 0.5 mL of a 5,000 mg L-1 solution of Fe(II) in the form of Mohr’s salt were added to 500 mL of water with arsenic (the Fe2+/citrate molar ratio varied in the range between 0 and 10). pH varied between 7 and 7.4. The arsenical solution was introduced in 4 polyethylene terephtalate (PET) plastic bottles that were irradiated with UV light produced by an OSRAM Ultravitalux 300-W lamp for 4 hours. An UDT S371R radiometer with a 365 nm UVA-sensitive head was used to measure the UV light power per unit area in the position of the bottle. Radiation intensity was approximately constant at ~7.5 mW cm.-2 during irradiation time. Each hour, a bottle was withdrawn and was left to rest in the dark during the entire night. The next day, the precipitate formed was filtered and the total concentration of arsenic present in the water was determined.

Extraction and physicochemical characterization of water

Different sampling campaigns were carried out in areas such as La Oroya and Tacna until surface waters naturally contaminated with arsenic were found (Figure 7). To this end, sampling trips were made and in situ analysis of ground and surface waters were carried out with a Merckoquant field analysis equipment for arsenic (colorimetric quantifier that assesses the presence of As from 0.010 to 0.500 mg L-1).

Figure 7. (a) Sampling campaign in the area Sama Las Yaras; (b) water tap used by the population for direct consumption

(a) (b)


318

Arsenic concentration was later more accurately determined at the laboratory by the silver diethyldithiocarbamate method.

Description of field tests for removing arsenic from natural waters by solar irradiation

Field studies for arsenic removal by solar oxidation were carried out in Sama Las Yaras, Tacna. Samples were collected from a technified irrigation well used for consumption by inhabitants that live in its vicinity (Figure 8).

Figure 8. Sample taken from the technified irrigation well

700 mL of tap water were collected at the school Carolina Freyre de Arias, in Sama Las Yaras, and put into 2 clean, transparent PET bottles. 3 drops of lemon juice and 6 grams of wire, which provides the iron required for the precipitation of arsenic at the natural pH of water, were added. The bottles were exposed during 4 hours to solar radiation (Figure 9a). Then, each sample was poured into a big bottle for precipitation and separation (Figure 9b).

Figure 9. (a) Irradiation of PET bottles containing tap water, iron wire and drops of lemon juice. (b) Bottles before and after the treatment. The dark precipitate containing the arsenic, and which

should be filtered, can be seen.

Before After

(a)


319

Bacterial disinfection

Water analysis

Microbiological studies were carried out with the Oxfam-Delagua equipment using the method of the membrane in a LUREA BROTH culture media. After 18 hours of incubation at 37 °C, the system allows the growth of E. coli and pseudomonas.

Table 5 shows the details of the methodology used for the determination of each parameter in water, in accordance with the Oxfam-Delagua manual.

Table 5. Parameters determined in accordance with the Oxfam-Delagua manual

Parameter Methodology Unit Detection limit

Conductivity Part 2510 Ba µS cm-1 0.1

pH Part 4500 Ha Unit 0.01

Turbidity Part 2130 Ba NTU 0.1

Color Part 2120 Ba 1 m-1 0.1

Heterotrophic bacteria Part 9215 Ba CFU mL-1 1

Thermotolerant coliforms Part 9222 Da CFU mL-1 1

Field parameters (temperature, pH and conductivity) were determined with a universal meter Multiline P4 WTW, and color was determined at the laboratory with a Spectroquant Merck SQ118, in accordance with standard methods (APHA, 1998).

Disinfection method

For the disinfection process, 6 transparent PET bottles containing 500 mL of water collected from the Choqué spring each were used.

Glass beads were impregnated with TiO2 by means of a sol-gel technique with titanium isopropoxide in ethanol. The material was deposited on soda lime glass beads of approximately 1 mm in diameter, followed by a thermal treatment at 500 °C.

Disinfection efficiency for SODIS and HP was assessed by using a PET plastic bottle with 500 mL of water with natural contamination of E. coli. To this aim, two groups of 3 bottles each were separated; the first group consisted in two bottles with 500 mL of water contaminated with E. coli and 40 g of TiO2 deposited on glass beads (M1 and M2) and a third bottle containing 500 mL of contaminated water that acted as control for photolysis. This group was subjected to solar irradiation on a horizontal surface. The second group consisted in two bottles with 500 mL of water contaminated with E. coli and 40 g of TiO2 deposited on glass beads (M3 and M4) and a third bottle containing 500 mL of contaminated water that acted as control for photolysis. These bottles were exposed to sunlight on a horizontal surface of metallic foil with 15-cm-high lateral walls and an


320

inclination of ~20° with respect to the normal. This disposition was called “reflector” (Figure 10).

Figure 10. Detail of the experiment to compare the influence of the reflector


Arsenic decontamination in Sama, Tacna

Firstly, arsenic removal by solar oxidation was studied in synthetic samples. 500 mL of solutions containing 200 µg L-1 and 500 µg L-1 of arsenic, 10 drops of lemon juice and 0.5 mL of 5000 mg L-1 Fe(II) were introduced in PET bottles, which were then exposed to sunlight for 4 hours and left to rest in the dark the entire night. The precipitate was filtered and the concentration of total arsenic remaining in the water was measured. Figures 11(a) and 12(a) show solar irradiation in W m-2, whereas Figures 11(b) and 12(b) show the ultraviolet-A component (310-400 nm) corresponding to this radiation. Figures 11(c) and 12(c) show removal results, which in both cases were above 80%.


321

Figure 11. (a) Global solar irradiation during a typical experiment to remove arsenic from synthetic water. (b) UV component of solar radiation measured between 310 and 400

nm. (c) Arsenic removal. [As(III)]0 = 200 µg L-

1.

Figure 12. (a) Global solar irradiation during a typical experiment to remove arsenic from

water. (b) Ultraviolet component of solar radiation measured between 310 and 400 nm (UV-A). (c) Arsenic removal. [As(III)]0 =

200 µg L-1.

The water from Sama Las Yaras has been physicochemically characterized for over 2 years; its values are shown in Table 6. It can be observed that arsenic concentration exceeds the maximum values allowed by the Peruvian standards, 0.05 mg L-1. Also, only 10% of total As corresponds to As(III), the remaining 90% is As(V).

0 30 60 90 120 150 180 210 240100200300400500600700800900

1000

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

glo

bal (

W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 24005

10152025303540

(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100

concentración in ic ia l de As: 200 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

T iem po (m in)0 30 60 90 120 150 180

0

20

40

60

80

100

Concentración inicial de As:500 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

T iempo (min)

0 30 60 90 120 150 180100200300400500600700800900

1000

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

(W/m

2 )

0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

(b )

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

Time (min) Time (min)

Initial concentration of As: 500 ppb Initial concentration of As: 200 ppb As

rem

oval

(%)

As

rem

oval

(%)

UV

-A ir

radi

atio

n (W

m-2

)

UV

-A ir

radi

atio

n (W

m-2

)

Glo

bal s

olar

irra

diat

ion

(W m

-2)

Sol

ar ir

radi

atio

n (W

m-2

)


322

Table 6. Physicochemical characteristics of the water from Sama Las Yaras, Tacna

Water samples from the Sama Las Yaras area were analyzed at the laboratory and irradiated under sunlight for 4 hours. Certain parameters, such as iron and lemon amounts, were varied (Table 7). Removal results are shown in table 8; they were at 90% or above in all cases.

Table 7. Sample identification and treatment conditions

Samples Treatment condition

A 6 g of iron wire and 3 drops of lemon juice

B 4 g of iron wire, no lemon juice

C 4 g of iron wire and 1 drop of lemon juice

D 4 g of iron wire and 3 drops of lemon juice

E 4 g of iron wire and 6 drops of lemon juice

“Sama Las Yaras”, drinking water Parameters

Dec 2004

Feb 2005

Nov 2005

Jan 2006

Mar 2006

pH 7.16 7.1 7.15 7.0 7.54

Temperature (°C) 26 27.5 20 21 20

Alkalinity (mg HCO3- L-1) 4.64 9.27 307.3 151.3 153.1

Total hardness (mg CaCO3 L-1) 512 370 795 950 915

Total solids (g L-1) 2.701 6.411 3.467 2.635 2.622

Dissolved solids (g L-1) 2.662 6.402 3.423 2.625 2.612

Turbidity (NTU) <5 <5 ------- ------ ------

Chlorides (g L-1) 0-466 0.477 ------- -------- ------

Conductivity (µS cm-1) 3,160 3,000 2,612 2,420 3,510

Total As (mg L-1) 0.160 0.143 0.173 0.149 0.126

As (III) (mg L-1) --------- ------ 0.016 0.012 N/A


323

Table 8. Arsenic removal from water samples treated with different proportions of reagents

To optimize removal conditions, iron and lemon juice concentrations were once again changed, but samples were irradiated at the place of collection. These results are shown in Tables 9 and 10. According to these results, the removal process is more effective with the addition of wire than with the addition of a solution of Fe(III) (Table 9). With 3 grams of wire and 4 hours of irradiation, only 3 drops of lemon juice are needed to achieve a 95% efficiency of arsenic removal (Table 10). Table 9. Results of arsenic removal tests at Sama Las Yaras in December 2004 and February and

November 2005, with different irradiation times

December 2004

February 2005 November 2005

Time

(hs)

Solution of Fe(III) and 10 drops of lemon juice

Solution of Fe(III) and citrate (1.8/1 M)

Wire and 10 drops of lemon juice



Removal (%)

Removal (%)

(g) Removal (%)

(g) Removal (%)

Removal (%) with no lemon juice

(g) Removal (%)

1 - - 3 92 2 30 46 3 94

2 16.7 31.4 6 >95 3 65 45 6 > 95

3 34.1 43.2 9 >95 6 81 65

4 37.1 53.8 12 >95

% of arsenic removal

Sample A Sample B Sample C Sample D Sample E

Total arsenic

> 95% 90% 94% 95% 94%


324

Table 10. Results of arsenic removal tests at Sama Las Yaras in December 2005 and January 2006 with 4-hour irradiation

December 2005 January 2006

Using iron wire Using iron wire

(g) Removal (%) (3 drops of lemon juice)

Removal (%) (no lemon)

(g) Removal (%) (no lemon)

Removal (%) (1 drop of lemon juice)

Removal (%) (3 drops of lemon juice)



3 95 95 4 90 94 95 94 95

6 >95 >95 6 ----- ------ >95 ---- ----

With these results, in March 2006 decontamination tests were carried out at the town of Sama at a domestic level. To this end, each inhabitant received a brochure with a detailed description of the procedure to remove arsenic from consumption water using disposable, transparent PET soda bottles. Even though results were not positive, the population expressed their willingness to put the method into practice and collaborate in its execution. The major obstacle found was the significant cloudiness that prevented the formation of the typical iron precipitate.

WATER DISINFECTION, PUENTE PIEDRA LIMA

Extraction and physicochemical and bacteriological characterization of water

A selection of water supply sources for sampling was carried out based on previous inspections and surveys. Two types of sources were selected: water wells and springs or “puquios”. Three water wells were chosen, two in the district of El Callao and one in the district of Carabayllo. The 3 springs belonged to Puente Piedra.

In El Callao, the wells selected were located by block 40 of the Avenida Néstor Gambeta, Ventanilla. These wells are deep and use an electric pump for extraction. The water thus obtained is stored in shallow wells with evident unsanitary conditions and is exposed to the environment and contamination sources such as domestic animals.

The results yielded by the microbiological analysis of these wells (Table 11) indicate the presence of heterotrophic bacteria (various bacteria present in the environment) and, to a lesser extent, total coliforms. The presence of fecal coliforms and E. coli was not measured.


325

Table 11. Microbiological analysis of different samples taken from wells at El Callao and springs

from Puente Piedra

Puente Piedra Néstor Gambeta, Callao Microbiological analysis

Well 01 Well 02

Trapiche,

Carabayllo Choqué Tambo Inga

Sauces

Heterotrophs (CFU mL-1)

Total coliforms (MPN/100mL)

Fecal coliforms (MPN/100mL)

E. coli (MPN/100mL)

30 x 102

33

<1.8

<1.8

70 x 10

17

<1.8

<1.8

30 x10

4

<1.8

<1.8

75 x10

92 x10

49 x 10

24 x 10

28 x103

24 x 103

24 x 103

21

52 x 102

49 x 102

49 x 102

20 x 10

In the district of Carabayllo, the well selected is located on Avenida Trapiche, in the sporting complex “MURGA”. It is a deep well from which water is pumped out; its maintenance conditions are acceptable and the water is used for direct human consumption, with no prior treatment. The results obtained in the microbiological analysis show the presence of heterotrophic bacteria and total coliforms.

The three springs studied belong to the district of Puente Piedra and are water sources used for supply and direct consumption. The “puquio” Choqué is located in the industrial area (Figures 13 and 14), the “puquio” Tambo Inga is located in the area of San Remo, and the “puquio” Sauces in the area of Gallinazos.

Figure 13. Water sampling of the “puquio” Choqué for microbiological analysis

Figure 14. Detail of the area showing the spring Choqué

The three “puquios” are completely exposed to the environment with no protection of any kind. The inhabitants have direct access to these water sources for supply, and they even go into the water bodies with their shoes on. In some cases it was observed that


326

they also wash their pets, their clothes, etc. in them. Almost none of these water springs had protection. It should be mentioned that in this area the phreatic layer is very close to the surface, and in the case of the Choqué spring, it is in the vicinity of a sewage disposal channel (Figure 14). The results of the microbiological analysis show that these three springs are contaminated.

The concentrations of heterotrophs and total coliforms are high; the sample from the "puquio" Tambo Inga presented the highest contamination with these microorganisms. The samples also had considerably high concentrations of fecal coliforms; E. coli was found in all three samples, but its concentration was higher in the sample from the “puquio” Choqué.

According to the Peruvian Technical Standard and the General Law for Waters, these water sources are not suitable for human consumption, because both these regulations do not accept the presence of total coliforms, E. coli and heterotrophs in the amounts counted.

The physicochemical analysis of the “puquio” Choqué is detailed in Table 12. Table 12. Physicochemical characteristics of the water simple taken from the “puquio” Choqué,

Puente Piedra

Parameters Results

pH 7.4

Temperature 21 °C

Alkalinity 156 mg L-1 HCO3-

Total hardness 496 mg L-1 CaCO3

Dissolved solids 0.9636 g L-1

Total solids 0.9984 g L-1

Conductivity 760 µS cm-1

Turbidity 055 NTU

Lead 0.01 mg L-1

Cadmium 0.00 mg L-1

Copper 0.00 mg L-1


327

Sulfates 2.40 mg L-1

Chlorides 70.00 mg L-1

Nitrates 44.64 mg L-1

Sodium 5.00 mg L-1

Manganese 0.00 mg L-1

Zinc 0.00 mg L-1

Tests were carried out at the National University of Education “Enrique Guzmán y Valle” UNE (La Cantuta), and microbiological analyses were carried out at the research laboratory of the School of Biological Sciences of that same University. For disinfection experiments, 6 transparent PET bottles containing 500 mL each of water from the Choqué spring were used. Samples were irradiated for two hours; the results of the experiments with solar radiation, disinfection and E. coli re-growth are detailed in Tables 13 and 14. As it can be seen, in the case of photocatalysis a disinfection rate of 47.05% was achieved after two hours of exposure, whereas the samples subjected to heterogeneous photocatalysis with TiO2 deposited on glass beads (M2, M3, M4 and M5) yielded a much higher disinfection rate. In the case of photolysis, there is a 97% re-growth after 24 hours, 76% after 72 hours, and 94% after 6 days. In comparison, re-growth rates of samples M2, M3, M4 and M5 are much lower, and never exceeded 50% for all of the days studied. Table 13. Solar radiation at different times; the first column corresponds to the global solar radiation

and the second column shows the UV component.

Solar time W m-2 mW cm-2

11.03 974 3.320

11.37 999 3.765

12.06 997 3.386

12.32 987 5.411

13.54 818 4.208

14.17 753 2.518

14.50 623 2.951

16.01 322 1.934

Table 14. Disinfection with TiO2 deposited on glass beads


328

Tambo Pariachi, Huaycán, Lima

The human settlement Tambo Pariachi in Huaycán is located in the periphery of Lima, at km 15 of the central road. There, the water for daily consumption is extracted from artesian wells, as shown in Figure 15.

Figure 15. Artesian well in the human settlement of Tambo Pariachi in Ubican, located in the periphery of Lima, at km 15 of the central road. Note the proximity of the Rimac River.

Figure 16 shows the solar irradiation (a) and the standardized concentration of coliforms (b) with respect to the initial concentration, CO, during a typical water decontamination experiment with solar radiation (without TiO2). It can be seen that at approximately 2 hours of irradiation, around 90% of total coliforms have been destroyed, total disinfection being achieved after approximately 5 hours of irradiation. It can also be

E. coli (CFU/10 mL)

Time Photolysis M1 M2 M3 M4 M5

Initial control 34 34 34 34 34 34

45 min 25 17 9 25 11 22

2 hs 18 10 3 8 7 9

Final control 35 35 35 35 35 35

24 hs 33 13 10 16 17

48 hs 26 2 2 3 4

144 hs 32 1 4 12 3

Rimac River


329

seen that there is an increase of 5 °C in temperature caused by the black paint used to paint the lower surface of the bottles.

Figure 16. (a) solar irradiation, (b) temperature measured in transparent bottles () and in bottles painted with black on their lower, external surface (), (c) standardized concentration of E. coli

(C/Co), in transparent bottles () and in bottles painted with black on their lower, external surface () during a typical water decontamination experiment. C0 is the initial concentration of E. coli.

20

25

30

35

40

45

(b)

Botellas pintadas la mitad con negro de humo botellas de plastico transparente

Tem

pera

tura

(°C

)

100

200

300

400

500

60012 13 14 15 16

(a)

Hora de irradiación (pm)

Irradiación solar

Irra

diac

ión

sola

r (W

/m2 )

0 60 120 180 2400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 (b)

Co=1800 NMP/ml de E-coli

PET PET+IR

C/C

o

Tiempo en irradiación (min)

(c)

Tem

pera

ture

(°C

) So

lar i

rrad

iatio

n (W

m-2

)

Irradiation time (pm)

Solar irradiation

Transparent plastic bottles

Half-painted black bottles

Irradiation time (min)


330

Table 15 shows the results of a typical disinfection experiment. A higher mortality rate of the E. coli population is observed in the samples treated with SHP, achieving an almost complete disinfection at 3 hours and 59 minutes of exposure; the mortality rate of E. coli is much lower in the case of photolysis. As regards re-growth after 24 and 48 hours, it can be seen that the samples treated with TiO2 present a lower re-growth than those that were treated without the photocatalyst. In the case of samples exposed on the reflector, bacterial degradation efficiency was greater in all cases. In these cases, the systems reach temperatures of 43 °C. As regards re-growth after 24 and 48 hours, there is none in sample M3, whereas sample M4 does present a certain re-growth but with a decreasing trend. In the case of photolysis, there is a considerable re-growth as compared to sample M4.

Table 15. Bacterial photocatalytic degradation after an experiment carried out with and without reflector.

With no reflecting surface

E. coli (CFU/10 mL)

With reflecting surface

E. coli (CFU/10 mL)

Time Photolysis M1 M2 Photolysis M3 M4

Initial control 140 140 140 140 140 140

34 minutes 90 103 91 96 89 123

2 hs 13 min 43 0 20 5 0 25

3 hs 59 min 17 0 4 0 0 0

Final control 138 138 138 138 138 138

Re-growth, 24 hs 40 8 4 51 0 6

Re-growth, 48 hs 19 1 4 8 0 2

Table 16 shows the results of a disinfection experiment (22-25 W m-2 solar radiation, measured between 310-400 nm), where SODIS and HP with glass beads covered with TiO2 and HP with suspension of P-25 are compared. In all cases, a decrease of bacterial population was observed. However, the beads yielded better results than SODIS and were in between the results obtained using 1 and 2 mg L-1 of Degussa P-25 TiO2.

Table 16. Bacterial photocatalytic degradation carried out using a catalyst and different concentrations of Degussa P-25 TiO2

SODIS

E. coli (CFU/10 mL)

Heterogeneous Photocatalysis with TiO2 (HP)

E. coli (CFU/10 mL)

Time Glass beads with TiO2

1mg L-1 TiO2 2mg L-1 TiO2

Initial control 39 39 36 36


331

1 hr 26 min 32 14 28 17

2 hr 52 min 27 4 5 1

Final control 45 45 33 33

Finally, the reflector system was assessed after 4 hours of treatment, and it was observed that there was disinfection in all cases. However, re-growth after 24 hours shows that the experiments with TiO2 offer a better control of re-growth than the use of photolysis only. After 48 hours, all bacterial systems are in clear decline due to the lack of organic matter for bacteria to feed on (Table 17).

Table 17. Samples exposed to sunlight on the reflector

Time Photolysis* CFU/10 mL

M3

TiO2 CFU/10 mL

M4

TiO2 CFU/10 mL

Initial control 140 140 140

34 min 96 89 123

2h 13 min 5 0 25

4 hours 0 0 0

Final control 138 138 138

Re-growth, 24 hs 51 0 6

Re-growth, 48 hs 8 0 2

SOCIAL ASPECTS OF THE PROJECT

The first relevant social aspect of this project was the physicochemical and bacteriological characterization of waters from the study centers, since the results were used to inform authorities about the situation. In some cases, as in Sama Las Yaras, the authorities provided the necessary transportation means for research activities. The representatives of health centers at the sites studied were contacted in order to provide them with detailed information regarding the issue of consumption of unsafe water and urge them to take measures for the prevention and solution of this problem. They showed interest in the results obtained.

The objectives of the project have not only been developing scientific and technological activities, but also carrying out efforts to spread and disseminate the advances through social activities with the communities in order to promote the


332

methodologies. To this end, workshops have been held and contacts with different organizations have been established in order to disseminate the information.

With the goal of launching campaigns for the application of these technologies and their replication in other communities with similar problems, joint efforts have been initiated with a representative from an NGO to assess the technology for the solar removal of arsenic from waters of the Province of El Collao. Also, the NGO CECADE has been assessing the different solar disinfection systems in Yaurisque, Cusco, and has been carrying out surveys in different areas of the Province of Paruro, Cusco, to obtain information about the condition in which water reaches the inhabitants and their opinion about the possibility of having access to an alternative decontamination system. An auspicious situation is foreseen for the dissemination of the technologies developed within this project.

Different workshops have been carried out to educate the population about these technologies (Figures 17, 18 and 19).

.

Figure 17. Preparation of a sample for solar irradiation of natural waters with iron and

lemon juice for arsenic removal

Figure 18. Indicating the position of the bottles under the sun

Figure 19. Meeting with inhabitants of Asociación Agropecuaria Amopaya: presentation of the project

Also, the group has held two workshops during the development of the project. One of them, caller “International Workshop on New Technologies for Water Disinfection and Decontamination” was carried out in Lima on November 14, 2003, was financed by the European Union, and counted with the attendance of specialists from fifteen countries. This same workshop was repeated in Cusco as part of the X Peruvian Symposium of Solar Energy that took place between November 14 and 17, 2003. The second workshop


333

was called “New Technologies for Water Decontamination and Supply in Rural Areas”, and it was held on July 13 and 14, 2006, in the city of Lima. This event was organized by the Peruvian Institute of Nuclear Energy and was sponsored b the International Atomic Energy Agency (IAEA) and the National Council of Science and Technology of Peru (CONCYTEC).

CONCLUSIONS

The application of the SORAS method to real waters proved to be feasible, as shown by the results obtained in Sama Las Yaras, Tacna, with removal rates of up to 95%. However, the method is highly dependant on the composition of the water to be treated.

The results obtained with solar disinfection in bottles are promising, and the SODIS technology has been improved by adding glass beads covered with TiO2. The use of photocatalysis has reduced treatment time in approximately 20%, and bacterial re-growth after conclusion of the treatment has been reduced, with the added benefit that biological contamination, As, and organic contamination could be removed simultaneously.

Undoubtedly, the achievements so far are but the first steps on the road towards an improvement of the quality of life of rural populations, which are generally scattered and have little possibility of having access to the benefits provided by the State. This is due to reasons as diverse as unawareness of the existence of the problem, the impossibility of reaching these areas with conventional solutions, which are unfeasible for rural areas with very low population density, etc.

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1

11

El potencial de SODIS, métodos similares a SODIS y nanopartículas de titanio para la desinfección de agua en comunidades rurales de Trinidad y Tobago

R. Saunders, S. Ali Shah and R. Clarke

Physics Department, The University of the West Indies, St. Augustine, Trinidad

[email protected]

RESUMEN

Se aplicó el método SODIS a aguas contaminadas naturales y artificiales de Trinidad y Tobago. Con el método SODIS estándar, se descontaminó agua que contenía bacterias de E. coli en 4 horas. Mediante el uso de técnicas de concentración solar con SODIS, se redujo el tiempo de descontaminación a dos horas. También se evaluó el uso de esferas de vidrio negro y transparente dentro de botellas de PET con agua contaminada. En este experimento similar a SODIS, se encontró que el uso de esferas negras en botellas de PET transparentes es bastante eficaz y reduce la concentración de E. coli en un 98% en 1,5 horas. Además, también se construyó un reactor para la desinfección de agua contaminada con bacterias de E. coli. La superficie activa del reactor está compuesta por nanopartículas de dióxido de titanio depositadas sobre una placa de vidrio esmerilado mediante una técnica de sedimentación. El reactor se expone a la luz del sol con orientación norte-sur y una inclinación de 11 grados con respecto a la horizontal. Mientras que en días soleados la desinfección ocurrió después de treinta (30) minutos, en días nublados se necesitaron sesenta (60) minutos. Las pruebas realizadas durante la noche no tuvieron ningún efecto. Esta esterilización rápida del agua contaminada se atribuye a la producción de especies altamente reactivas como los radicales hidroxilo producidos por las nanopartículas de dióxido de titanio en presencia del componente UV de la luz solar. Adicionalmente se hicieron análisis para controlar el

El potencial de SODIS, métodos similares a SODIS y las nanopartículas de titanio para la desinfección de agua en comunidades rurales de Trinidad y Tobago

recrecimiento de la bacteria en el agua descontaminada tanto mediante el método SODIS como mediante el método de oxidación avanzada que utiliza nanopartículas de TiO2. No se observó ningún recrecimiento en el agua descontaminada con ninguno de los dos métodos después de 30 días de almacenamiento en una habitación expuesta a luz solar difusa durante el día.

INTRODUCCIÓN

La disponibilidad de agua potable es una cuestión importante en el mundo moderno. En los países desarrollados, la purificación y el reciclado de aguas residuales mediante tecnologías modernas como ósmosis inversa han contribuido mucho a mejorar la disponibilidad de este recurso. En la actualidad, aproximadamente dos mil millones de personas principalmente del mundo en desarrollo no tienen acceso a un suministro seguro de agua potable (Informe de la OMS, 1993). Las diarreas y la consiguiente deshidratación del cuerpo son responsables de aproximadamente 2,5 millones de muertes anuales en el tercer mundo. Además, la disponibilidad de agua dulce puede representar un riesgo para la vida como resultado de desastres naturales. Las secuelas del tsunami en el sureste de Asia el 26 de diciembre de 2004 y los efectos del huracán Katrina en los Estados Unidos en agosto de 2005 son claros ejemplos de las consecuencias que pueden tener los desastres naturales en el suministro de agua dulce. Por lo tanto es importante que se desarrollen métodos tecnológicos simples no solamente para satisfacer las necesidades de las comunidades pobres de diferentes áreas del mundo en desarrollo, por ejemplo en América Latina y el Caribe, sino también para atender las necesidades inmediatas de las personas después de un desastre natural. En este trabajo se incluye un informe acerca de la desinfección de agua contaminada tanto de manera natural como artificial usando tres métodos: SODIS, una variación de SODIS a la que denominamos “método similar a SODIS” y una tecnología que utiliza un reactor con una superficie activa que contiene nanopartículas de dióxido de titanio. También se informa acerca del recrecimiento de E. coli después de la descontaminación.

UBICACIÓN DEL ESTUDIO

Las islas Trinidad y Tobago en el Caribe están ubicadas entre el Mar del Caribe y el Océano Atlántico Norte (11° N, 61° O) (Figura 1). Se encuentran al noroeste de Venezuela. La República de Trinidad y Tobago es un estado archipiélago ubicado en el extremo sur de la cadena de islas del Caribe. Las dos islas principales juntas abarcan un área terrestre total de 5.126 km2. La irradiación solar diaria varía entre unos 0,7 kWh/m2 durante la temporada seca (enero a mayo) a aproximadamente 0,4 kWh/m2 durante la temporada de lluvias (junio a diciembre). Según el censo de mayo de 1990, la población del país era de 1,24 millones de habitantes con una densidad de población promedio de 242 personas por kilómetro cuadrado.

El estudio se llevó a cabo en la región Mayaro-Guayaguayare sobre la costa este de Trinidad y en la región Caura al pie de las montañas de la Cordillera del Norte. La región

R. Saunders, S. Ali Shah y R. Clarke

3

Mayaro-Guayaguayare es llana con áreas de ciénagas. El sitio Ramsar en el pantano de Nariva es un destino turístico popular. La extensión de 30 km desde Manzanilla a Guayaguayare está poco poblada, con el área de Manzanilla que tiene una densidad de población inferior a los 20 habitantes por kilómetro cuadrado y la costa de Mayaro que tiene una densidad de entre 20 y 100 habitantes por km2. Las principales actividades de estas comunidades rurales son la pesca y la agricultura de pequeña escala.

Figura 1. Mapa de Trinidad y Tobago con el área de estudio indicada.

Figura 2. Fotografía de barriles de almacenamiento de agua en Mayaro.

En esta área costera actualmente se están desarrollando una cantidad creciente de hosterías pequeñas y medianas. Algunos residentes son empleados por estos establecimientos. Los efluentes de las viviendas y de estos establecimientos representan un serio riesgo para la salud en estas comunidades. En algunas áreas de la región se recoge agua de lluvia en cubas para uso doméstico (Figura 2). En estas áreas se recomienda hervir el agua transportada por las cañerías. La mayoría de los hogares con suministro de agua por cañería tienen tanques de agua para almacenamiento porque el


servicio no es confiable. La región Caura ofrece un paisaje muy atractivo y el río Caura en particular es utilizado para hacer picnics y actividades recreativas. En esta región se desarrollan actividades agrícolas a pequeña escala.

METODOLOGÍA

Desinfección solar (SODIS) con botellas de PET

El equipamiento experimental consistió en una nevera portátil con hielo para almacenar las muestras después de la recolección, botellas plásticas de 2 litros para recolectar las muestras, botellas transparentes de polietilentereftalato (PET) de 600 ml de capacidad para permitir una transmisividad óptima de la radiación solar (Wegelin y col., 2000), pintura negra al óleo, estación meteorológica para medir la insolación y la temperatura del aire, un termómetro y una termocupla para medir la temperatura del agua, láminas de hierro galvanizado corrugado (HGC) y cajas revestidas con papel de aluminio para lograr la concentración de la luz solar, sistemas para determinar el contenido bacteriano total y el contenido de coliformes fecales, y una incubadora que puede conservarse a diferentes temperaturas. Todos los equipos y los materiales se obtienen con facilidad localmente en Trinidad y Tobago.

Figura 3. Concentración bacteriana en función de la turbidez.

Se recolectaron muestras de agua de lluvia de Mayaro y muestras de agua de río del río Caura en botellas plásticas esterilizadas de 2 litros de capacidad, las que se almacenaron en hielo durante un período de hasta 2 horas antes de comenzar los experimentos. A las botellas de PET de 600 ml, que eran botellas de agua vendida comercialmente ya desechadas, se les quitó la etiqueta y se esterilizaron con agua destilada. La mitad de la superficie de cada botella se pintó con pintura negra en dirección longitudinal para aumentar la temperatura. Las botellas de PET se etiquetaron, se llenaron con la muestra de agua correspondiente y se colocaron en posición

Cantidad de UFC vs. % transmitancia

0

20

40

60

80

100

120

40 50 60 70 80 90 100 110 % Transmitancia

Can

tidad

de

UFC

/ 10

^9


5

horizontal en dirección norte sur directamente sobre la plataforma de exposición solar del Laboratorio de Energía Solar del Edificio de Ciencias Naturales de la Universidad de West Indies, Trinidad. Además de las muestras naturales, se prepararon muestras de agua artificialmente contaminadas por inoculación de agua destilada con bacterias coliformes fecales y se sometieron al mismo proceso SODIS según se describió. Al preparar las muestras artificialmente contaminadas se sembró una placa nutriente usando agar inclinado estándar que contenía un cultivo puro de E. coli y se incubó durante 24 horas. A continuación las colonias se transfirieron a un caldo de cultivo con nutrientes (1 colonia por cada 100 ml de caldo de cultivo) y se cultivaron por agitación continua durante 18 a 24 horas (temperatura a informar). El caldo de nutrientes se volvió turbio, lo que indicó el rápido crecimiento de las colonias. Se desarrolló una correlación entre la turbidez y la cantidad de bacterias utilizando una medición espectrofotométrica del porcentaje de transmitancia de una progresión en serie de diluciones y mediante la determinación de la concentración de bacterias por recuento heterotrófico estándar de las placas.

Esto se hizo antes de inocular las muestras de agua. La Figura 3 muestra la curva de correlación de la concentración bacteriana en función de la turbidez. A continuación se inocularon muestras de 2 litros de agua con 100 ml de cultivo de la siguiente dilución: concentración alta (dilución 0) y concentración baja (dilución 1/64). Las densidades bacterianas iniciales variaron entre 105 UFC/100 ml de muestra (concentración baja) y 1011 UFC/100 ml de muestra (concentración alta). Para estas muestras se utilizó siempre el método de concentración solar simple usando cajas revestidas con papel de aluminio.

Experimentos similares a SODIS usando esferas negras y transparentes de vidrio

Estos experimentos fueron similares a los experimentos normales de SODIS con la excepción de que se colocaron esferas negras o incoloras de vidrio dentro de las botellas con agua contaminada de la siguiente manera:

• Botellas transparentes de PET con esferas negras de vidrio

• Botellas de PET pintadas de negro hasta la mitad con esferas incoloras de vidrio

• Botellas transparentes de PET con esferas incoloras de vidrio

Las esferas, cuyo diámetro era de aproximadamente 1 cm, se adquirieron en un negocio de venta de artículos para el jardín en Trinidad. Se utilizaron ocho botellas en cada caso. Al igual que las correspondientes a los experimentos normales de SODIS, se colocaron sobre la plataforma solar del Laboratorio de Energía Solar en dirección norte-sur y se tomó una botella de cada grupo cada 30 minutos para analizar la concentración bacteriana. La radiación solar, la temperatura ambiente, la radiación UV (A+B) y la radiación UV (C) se midieron también al mismo tiempo.

Preparación y prueba del reactor de TiO2 construido en Trinidad y Tobago

La Figura 4 muestra una fotografía del reactor de TiO2 sobre el techo del Edificio de Ciencias Naturales del campus universitario St. Augustine en Trinidad. La Figura 5


muestra un esquema del sistema del reactor. El reactor está compuesto por dos placas de vidrio montadas sobre una estructura de aluminio. La separación entre las placas es de unos 8,0 cm. El TiO2 se deposita sobre la placa inferior, que es de vidrio esmerilado adquirido localmente. Es la “superficie activa” del reactor. La placa superior es de protección y está hecha de vidrio normal transparente incoloro. Ambas placas están sostenidas por “canales” sobre el perímetro interno de la estructura de aluminio. La base de soporte está compuesta por tres secciones que pueden desarmarse con facilidad, por lo que es muy portátil. La sección superior tiene una concavidad profunda, en donde se coloca el reactor, y que tiene llaves de sujeción incorporadas para sostener el reactor con firmeza. La sección media tiene sujetadores ajustables de estabilidad en las esquinas para garantizar la estabilidad de toda la estructura. Tiene además dos pivotes en un extremo para la unión de la sección superior y un gato de auto para permitir la elevación de la sección superior, que es la que lleva el reactor. La sección inferior es el “pie” de todo el sistema. Contiene un cojinete en el centro con el que se conecta la sección media. Esta sección permite la rotación de la sección media sobre su eje para poder seguir el desplazamiento del sol. En funcionamiento, la sección superior forma una cámara sellada que puede inclinarse al ángulo adecuado. La bomba peristáltica garantiza una velocidad de flujo fija de agua contaminada hacia la parte superior de la placa activa del reactor, que luego desciende por gravedad hasta el punto de recolección en el extremo inferior de la placa. La velocidad del flujo puede variarse para determinar la velocidad óptima para la fotodegradación. El reservorio de acero inoxidable puede aislarse del reservorio primario mediante una válvula, lo que permite ejecutar una o varias pruebas. El puerto de entrada y los dos puertos de salida son de cloruro de polivinilo (PVC). Todas las áreas que entran en contacto con el agua contaminada están construidas con acero inoxidable, vidrio, PVC o mangueras Tygon no reactivas.

Figura 4. Reactor de dióxido de titanio sobre el techo del Edificio de Ciencias Naturales en Trinidad.

Para revestir la placa activa del reactor con TiO2 se quitó la placa protectora de la sección superior para exponer la placa activa del reactor y el método de “sedimentación” utilizado. Con esta placa en posición horizontal, se vertió sobre ella una suspensión de 8 g de TiO2 en 2 litros de agua. El TiO2 en suspensión se depositó sobre la placa de vidrio


7

Punto de pruebaReservorio con agua contaminada Bomba

Luz solar

Placa de vidrio tratada con TiO2

esmerilado en aproximadamente 12 horas, y el exceso de agua se eliminó por evaporación. Se realizó una micrografía por barrido electrónico (MEB) de la superficie usando una muestra de vidrio esmerilado que recibió un tratamiento similar. En los experimentos se expuso el reactor a la luz solar, y la temperatura ambiente, la temperatura del aire dentro del reactor y la temperatura del reservorio se midieron con agua contaminada con bacterias coliformes fecales que fluía sobre la superficie. Se recolectaron muestras de agua del reservorio del reactor a diferentes intervalos y la concentración bacteriana de cada una se determinó utilizando el sistema Colilert 18. En pruebas futuras se determinará la capacidad del reactor para purificar agua contaminada con ácido dicloroacético como compuesto contaminante modelo.

Figura 5. Esquema del reactor solar de lecho fijo de TiO2.


Experimentos de recrecimiento

Las muestras de agua del río Caura descontaminadas tanto mediante el método SODIS convencional como mediante el método de oxidación avanzada con el reactor de TiO2 se dejaron en reposo en un área del laboratorio expuesta a luz solar difusa durante el día. Cada 2 días se tomaron muestras para analizar el contenido bacteriano con el sistema Colilert 18. Estos experimentos se desarrollaron durante un período de 30 días.


SODIS – botellas de PET

Las Figuras 6 a 8 muestran la variación de la insolación, la temperatura del aire y la temperatura de las muestras con la hora del día para muestras de agua de lluvia y agua corriente de Mayaro expuestas a SODIS. A pesar de las condiciones climáticas lluviosas, la insolación solar (Figura 6) varió entre 0,9 kW m-2 y 0,2 kW m-2. La porción irregular de esta curva representa períodos con nubosidad muy densa. La temperatura del aire (Figura 7) fue de 30 °C a las 10:00 am y aumentó gradualmente hasta 32 °C a las 12:45 pm y a partir de este punto descendió también gradualmente hasta 30 °C a las 4:30 pm. La temperatura de las muestras de agua (Figura 8) fue de 30 °C a las 10:00 am y alcanzó un valor máximo de 52 °C a las 12:45 pm. Estas tendencias generales observadas para las variables de insolación, temperatura del aire y temperatura de las muestras también se observó los días que se aplicó el método SODIS a las demás muestras.

Figura 6. Variación de la insolación con la hora del día (martes 29 de octubre de 2002).

Gráfico de la temperatura del agua vs tiempoMartes 29 de octubre de 2002

0102030405060

10,45

11,25

11,45

12,05 12

,3 11,2

51,4

52,0

52,2

52,4

53,1

5 3,4 4

Hora del día

Tem

p. a

gua

/ o C


9

Figura 7. Variación de la temperatura del aire con la hora del día (martes 29 de octubre de 2002).

Figura 8. Variación de la temperatura del agua con la hora del día (martes 29 de octubre de 2002).

Hubo un 99,9% de reducción tanto en el recuento de coliformes fecales a las 4 horas como en el recuento de bacterias totales después de 6 horas de exposición de las muestras a la luz solar (Figuras 9a y 9b). Esto se atribuyó a la acción directa sobre las bacterias de la radiación UV y el aumento de la temperatura de la muestra de agua a causa de la radiación infrarroja. La concentración de bacterias en la muestra de agua corriente fue baja en comparación con la de la muestra de agua de lluvia. Esto se atribuye a la presencia de cloro en el agua corriente.

0

10

20

30

40

50

60

10,45

11,25

11,45

12,05 12

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51,4

52,0

52,2

52,4

53,1

5 3,4 4

Hora del día

Tem

p. a

gua

/ o C

2929,5

3030,5

3131,5

3232,5

10 10,3 11 11

,3 12 12,3 1 1,3 2 2,3 3 3,3 4 4,3

Hora del día

Tem

p. a

ire / o C


Figura 9a. Reducción de la concentración de coliformes fecales en el tiempo (29/10/02).

Figura 9b. Reducción de la concentración de bacterias total en el tiempo (29/10/02).

Las Figuras 10a y 10b representan los resultados de la investigación SODIS en muestras de agua de lluvia recolectadas en St. Augustine, Trinidad que se expusieron a concentración solar simple mediante el revestimiento de una caja con papel de aluminio. En este caso, tanto el recuento de coliformes fecales como el recuento de bacterias totales se redujeron en un 99,9% en un lapso de 2 horas. Se obtuvieron resultados similares con agua pura contaminada de manera artificial (Figuras 11a y 11b). Estos resultados indican que hasta las concentraciones altas de E. coli en las muestras de agua contaminada artificialmente pueden purificarse en un lapso de 2 horas mediante una técnica simple de concentración solar en las condiciones climáticas locales.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 2 4 6

Tiempo de exposición / horas

Col

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00 m

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0

500000 1000000 1500000 2000000

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agua lluvia

agua canilla

Rec

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bac

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r 100

mL

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ra


Recuento de bacterias totales vs. tiempo de exposición


11

Figura 10a. Reducción de bacterias fecales con tiempo de exposición a SODIS para muestras de agua de lluvia con concentración de la radiación solar usando una caja con revestimiento de papel

de aluminio (miércoles 4 de diciembre de 2002).

Figura 10b. Reducción de bacterias totales para una muestra de agua de lluvia (miércoles 4 de diciembre de 2002).

0

5000

10000

15000

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Col

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00 m

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Figura 11a. Recuento de coliformes fecales en una muestra de agua limpia (10/04/03).

Figura 11b. Recuento de coliformes fecales en muestra de agua limpia vs. tiempo de exposición del agua limpia (24 de abril de 2003).

02E+104E+106E+108E+101E+111E+111E+112E+112E+112E+11

0 2 4 6


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0 1 2 3 4 5 6 7

Tiempo de exposición (hs.)

Col

iform

es fe

cale

s / 1

00 m

l mue

stra


13

Experimentos similares a SODIS

Los resultados de los experimentos similares a SODIS usando esferas de vidrio se muestran en la Figura 12a. La botella transparente de PET con esferas negras de vidrio fue la que mejor rendimiento tuvo, seguida por la botella de PET transparente pintada de negro con esferas transparentes y después por la botella de PET transparente con esferas transparentes. Las reducciones en el recuento de bacterias después de 1,5 horas fueron del 98%, 85% y 59% respectivamente, y después de 4,5 horas fueron del 98%, 95% y 67% respectivamente. El mejor rendimiento de las esferas negras en comparación con SODIS (botellas pintadas de negro hasta la mitad y esferas transparentes) se atribuye a la mayor superficie negra de las esferas negras en comparación con la de la botella de PET pintada de negro hasta la mitad de SODIS. La reducción del recuento de bacterias en todos los casos se atribuye a los efectos de la radiación UV y la temperatura. Sin embargo, los efectos térmicos son mayores cuando hay elementos oscuros. En las Figuras 10b, 10c, 10d y 10e se muestran las variaciones de insolación, temperatura ambiente, UV (A+B) y UV (C) en el tiempo durante estos experimentos, respectivamente.

Figura 12a. Reducción de la concentración de bacterias en el tiempo para experimentos similares a SODIS.

Reducción de la cantidad de bacterias con el tiempo para SODIS el 15/8/2006

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

TIEMPO (Horas)

Rec

uent

os b

acte

riano

s / 1

00m

L

Botella transparente con esferas negras Botella negra con esferas transparentes Botella transparente con esferas transparentes


Figura 12b. Insolación en función del tiempo.

Figura 12c. Variación de la temperatura ambiente en el tiempo.

Insolación para el 15 de agosto de 2006 de 8:30 am a 4:30 pm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 20 40 60 80 100 120 TIEMPO ( X 5 min)

Inso

laci

ón (

Wh/

m2)

Variaciones de temperatura el 15 de agosto de 8:30 a 16:30

0

5

10

15

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35

0 20 40 60 80 100 120 TIEMPO ( X 5min.)

TEM

PER

ATU

RA

(Cel

sius

)


15

Figura 12d. Variación de la radiación UV (A+B) en el tiempo.

Figura 12e. Variación de la radiación UV (C) en el tiempo.

UVA+UVB el 15 de agosto

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 TIEMPO (Horas)

UVA

+UVB

(mW

/cm

2)

UVC el 15 de agosto

0.00

0.20

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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 TIEMPO (Horas)

UVC

(um

/cm

2)


Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2)

La Figura 13 muestra una micrografía electrónica de la superficie del TiO2. Resulta evidente la gran superficie de contacto que presentan estas partículas.

Figura 13. Imagen MEB de nanopartículas de TiO2 sobre vidrio esmerilado.

Figura 14. Gráfico que muestra las curvas de insolación como función del tiempo en los mismos ejes.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40 50 60 70

Tiempo (min.)

Inso

laci

ón (W

h/m

2 )

June 12th June 23rd June 30th July 6th


17

La Figura 14 ilustra la variación de la insolación con el tiempo para los cuatro experimentos: tres bajo diferentes condiciones de luz diurna y uno durante la noche. La insolación promedio fue de 1058 Wh/m2 para el 12 de junio, 733 Wh/m2 para el 23 de junio y 750,5 Wh/m2 para el 30 de junio y 0 Wh/m2 para el análisis realizado durante la noche (6 de julio).

Figura 15. Temperaturas del reservorio para el 12, el 23 y el 30 de junio y el 6 de julio.

En la Figura 15 se muestran las variaciones de temperatura del reservorio de agua

para los cuatro experimentos. En general, para las pruebas diurnas la temperatura aumentó hasta alcanzar un valor de 42 °C después de transcurrida una hora. Para la prueba nocturna la temperatura se mantuvo relativamente constante a 25 °C.

La Figura 16 ilustra la concentración bacteriana en función del tiempo para los cuatro experimentos. La concentración bacteriana del experimento nocturno fue constante, mientras que para los experimentos diurnos hubo un rápido descenso de la concentración con el tiempo. La concentración bacteriana se redujo a valores mensurables dentro de los 10 primeros minutos y todas las bacterias fueron destruidas después de otros 20 minutos en el experimento del 12 de junio. En las pruebas del 23 de junio, la concentración bacteriana se redujo a valores mensurables en 15 minutos y llegó a cero después de 15 minutos más. En las pruebas del 30 de junio, la concentración bacteriana se redujo a valores mensurables en 45 minutos y llegó a cero después de 15 minutos más.

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5

10

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tiempo (min.)

Tem

pera

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sius

)



Figura 16. Reducción bacteriana en el tiempo para el 12, el 23 y el 30 de junio y el 6 de julio.

Como ya se mencionara, el valor promedio más elevado fue de 1058 Wh/m2 el 12 de junio.

A excepción del experimento nocturno, en general se observó un aumento en el tiempo tanto de la temperatura del reservorio como de la del reactor. La temperatura final del reservorio después de una hora en cada caso fue de 42 °C. Este aumento de la temperatura contribuirá con la reducción de la concentración bacteriana (véase Clarke y col., 2005). Sin embargo, el aumento de la temperatura no explica completamente los datos obtenidos, porque el método SODIS debe funcionar durante unas cuatro horas para completar la remoción de E. coli. Durante el experimento nocturno el 6 de julio no se observó ningún efecto de calentamiento. La temperatura registrada fue la temperatura ambiente y disminuyó en menos de 1 °C a medida que avanzó la noche. No hubo insolación ni reducción de la concentración bacteriana con el transcurso del tiempo. En nuestros experimentos, se obtuvo una desinfección completa después de 30 minutos en dos ocasiones y después de 60 minutos en una tercera ocasión, según se muestra en la Figura 16.

Creemos que el efecto fotocatalítico del dióxido de titanio es el principal factor que contribuye a la disminución observada de la concentración bacteriana, con la asistencia de la luz ultravioleta. El TiO2 es un fotocatalizador que absorbe la luz ultravioleta de longitudes de onda cortas hasta 400 nm y se lo conoce por su eficacia en la detoxificación solar (Pelizzetli y col., 1990; Linsebigler y col. 1995). Al aproximarse a la irradiación UV, el TiO2 genera pares electrón/hueco (e-/h+), según se muestra en la Ecuación (1).

TiO2 + hν → TiO2 (e-/h+) (1)

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

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0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tiempo (min.)

Rec

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00 m

L



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Este último puede reaccionar con grupos hidroxilo ligados a la superficie para generar radicales hidroxilo, como se muestra en la Ecuación (2).

TiO2 (h+) + OH- → HO• + TiO2 (2)

Los radicales hidroxilo a continuación atacan a las bacterias y de esta manera desinfectan el agua. Tal vez sea importante notar que mientras que la insolación solar del 30 de junio fue similar a la del 23 de junio, se necesitaron 60 minutos para eliminar las bacterias por completo el día 30 pero sólo 30 minutos el día 23. Sin embargo, el 30 de junio estuvo más nublado, lo que significaría un menor efecto de la radiación UV y en consecuencia un aumento del tiempo necesario para completar la desinfección. Esto también explica por qué no se obtuvo ningún efecto en la prueba realizada durante la noche.

Recrecimiento después de la desinfección por SODIS y el método de oxidación avanzada con TiO2

Los resultados de estos experimentos se muestran en las Figuras 16a y 16b, respectivamente. Los análisis bacterianos con el sistema Colilert 18 indicaron que no hubo ningún recrecimiento después de un período de 30 días. Esto indica que el agua desinfectada puede almacenarse durante 30 días al menos.

CAMPAÑAS DE APLICACIÓN Y OTRAS ACTIVIDADES SOCIALES

Áreas de Manzanilla, Mayaro y Guayaguayere

Las campañas de información se realizaron durante los viajes de recolección de muestras en estas áreas. Como con frecuencia no hay disponibilidad de agua corriente, los residentes de estas regiones utilizan agua de lluvia recolectada de los techos de los edificios para beber, cocinar y lavar. Los habitantes suelen ser sencillos y se ganan la vida de la pesca, actividades agrícolas a pequeña escala y el turismo a través del empleo en pequeñas hosterías que se están estableciendo en la zona. Al visitar los hogares para recolectar las muestras de agua para las pruebas, se informó a los residentes que el agua de bebida que estaban consumiendo contenía E. coli y se les explicó cómo se podía aplicar la técnica SODIS. Las hosterías de la región representaron una oportunidad especial porque para los administradores de estas instituciones es importante que los huéspedes no se enfermen a causa del consumo de agua contaminada con E. coli. Algunas tenían sistemas a pequeña escala para reciclar agua “gris” (o agua servida no cloacal). Se les mostró cómo podían extender los sistemas con la técnica SODIS usando una serie de botellas de PET unidas de manera de formar un tubo largo con la parte inferior pintada de negro para purificar el agua gris, no solamente eliminando los fosfatos y otros contaminantes sino también la contaminación microbiológica, y obtener así agua potable. Se realizaron unas seis campañas de recolección en el área y en cada ocasión se instruyó a los residentes.


Área Caura (valle y río Caura)

Esta región en el noreste de Trinidad se utiliza ampliamente como área recreativa para hacer picnics, bañarse y cocinar. Muchos visitantes llevan sus propios alimentos y los preparan o cocinan en la orilla del río. En Trinidad y Tobago esta costumbre se conoce como “river lime” (reunión a la orilla del río). Nuestros estudios demostraron que el agua del río está muy contaminada, en particular durante la estación seca (enero a junio). Ha habido numerosos informes de personas que se vieron afectadas por diarreas después de haber realizado uno de estos picnics cerca del río. Durante las diferentes campañas de recolección de muestras realizadas en el área se advirtió a los usuarios acerca de esta situación y se les mostró cómo utilizar el método SODIS para asegurarse de que el agua consumida durante las actividades recreativas no esté contaminada.

Artículo en periódico dominical

A través de la Unidad Comercial de la Universidad de West Indies, se divulgó información acerca del método SODIS y su aplicación para toda la población de Trinidad y Tobago. El método se describió de una manera muy simple para que cualquier persona pudiera descontaminar agua contaminada con E. coli en áreas rurales y en caso de desastres naturales.

Huracán Iván: envío de material acerca de SODIS a Granada y Haití

Después del paso del huracán Iván, que produjo numerosas destrucciones en Granada y Haití, se proporcionó material a equipos de emergencia de Trinidad que viajaron a las islas afectadas para ayudar a superar las secuelas del huracán.

Reunión con funcionarios del gobierno

Reunión con la Sra. McIntyre, Secretaria Permanente del Ministerio de Información

Se realizó una reunión directa en persona con la Sra. McIntyre para discutir el método SODIS en particular con respecto a las poblaciones rurales remotas de Trinidad y Tobago. Se están haciendo los arreglos necesarios para la emisión de un programa radial en el que se analice la aplicación del método SODIS.

Educación, capacitación y ONG

Información a nivel universitario

Se dictaron dos seminarios de grado, un seminario de postgrado y un seminario general para la comunidad universitaria. Los integrantes de la comunidad universitaria recibieron bien la simplicidad y la posibilidad de aplicación de las técnicas.


21

Reunión de la Academia de Ciencias del Caribe en Guadalupe en mayo de 2006

Los científicos de nuestro grupo presentaron dos trabajos en esta reunión, uno sobre SODIS con botellas de PET y otro sobre TiO2. A esta reunión asistieron científicos de unos 14 países de toda la región.

Conferencia invitada por los Embajadores del Caribe en Washington al recibir el premio NCOCA

El proyecto SODIS fue la parte más importante de una conferencia invitada que el coordinador dio ante los embajadores de los países del CARICOM en Washington en octubre de 2005.

Conferencia plenaria en el 5º encuentro de países de Asia y el Pacífico sobre desarrollo sostenido

El Prof. R. Saunders fue invitado a dar una conferencia plenaria sobre desarrollo sostenido durante este encuentro. El trabajo con el método SODIS fue una porción prominente de esta conferencia, que fue bien recibida por los participantes de este encuentro de países de Asia y el Pacífico.

Información para Nicaragua

En una visita a Filadelfia en julio de 2006, se informó a un colega acerca de esta técnica. Posteriormente este colega envió la información a muchos colegas suyos en Nicaragua.

DISEÑO Y APLICACIÓN EN OTRAS REGIONES

Hay varias regiones más en Trinidad y Tobago en donde la aplicación del método SODIS puede resultar útil. Entre ellas se encuentran el área de Caroni en el centro de Trinidad y la región del noreste que incluye áreas como Arima, Sangre Grande, Bleanchisseuse y Toco además de la isla de Tobago. Se planea replicar los hallazgos para estas áreas cuando se cuente con la financiación necesaria. Sería muy útil obtener una extensión del proyecto actual.

SUSTENTABILIDAD Y FINANCIACIÓN EN EL FUTURO

En el campus universitario St. Augustine de la Universidad de West Indies se ha creado un nuevo instituto denominado “Instituto del Pensamiento Crítico”. El Rector de la Universidad parece estar interesado en asignar este proyecto al nuevo instituto. Si esto ocurriera, se garantizaría la financiación en el futuro. Además, esta área de investigación continuará como área de investigación en el Departamento de Física de la Universidad de West Indies, St. Augustine.


AGRADECIMIENTOS

Deseamos agradecer a la Organización de Estados Americanos por su ayuda y en particular a la Coordinadora del Proyecto, Dra. Marta Litter, quien ha sido muy paciente con nosotros. Agradecemos al Dr. Campbell de la oficina local de la OAS por su asistencia y a la Universidad de West Indies por la provisión del espacio de laboratorios y la financiación adicional como contrapartida; agradecemos también al Sr. David Hinds de la Unidad de Microscopía Electrónica por su ayuda. Agradecemos especialmente a los demás participantes del Proyecto, quienes siempre han estado dispuestos a compartir información con nosotros.

REFERENCIAS

Clarke, R., Saunders, R., Mellowes, W., Kimkeram, K. y Ali Shah, S. (2005): Economic technologies for water disinfection in rural areas in Trinidad. APCSEET 2005, 116-122.

Linsebigler, A.L, Lu, G. y Yates, Jr. J.T. (1995): Photocatalysis in TiO2 surfaces: principles, mechanisms and selected results. Chem. Rev., 95, 735-758.

Pelizzetti, E., Minor, C. y Maurino, C. (1990): The role of colloidal particles in the photodegradation of organic compounds of environmental concern in aquatic systems. Advances in Colloidal Interface Science, 32, 271-316.

WHO (1993): Guidelines for drinking water quality. 2nd Edition Vol. 1, Ginebra. Wegelin, M., Canonica, S., Marazuela, D., Suter, M., Bucheli, Th.D., Haefliger, O.P.,

Zenobi, R., McGuigan, K.G., Kelly, M.T., Ibrahim, P., Larroque (2000): Does sunlight change the material and content of polyethylene terephtalate (PET) bottles? Journal of Water Supply: Research and Technology, Aqua No.1, IWA Publishing.


357

11

The potential of SODIS, SODIS-like methods and titanium dioxide nanoparticles for water disinfection in rural communities of Trinidad and Tobago


Physics Department, The University of the West Indies, St. Augustine, Trinidad

[email protected]

ABSTRACT

We have applied the SODIS method to natural as well as artificial contaminated water in Trinidad and Tobago. With the standard SODIS method, we decontaminated water containing E. coli bacteria in 4 hours. Using simple solar concentration techniques with SODIS, the decontamination time was reduced to two hours. We have also evaluated the use of black as well as clear glass spheres in contaminated water in PET bottles. In this SODIS-like experiment, black spheres in clear PET bottlers were found to be quite effective, reducing the E. coli concentration by 98% in 1.5 h. In addition, we have built a reactor for the disinfection of water contaminated with E. coli bacteria. Titanium dioxide nanoparticles, deposited on a frosted glass plate by a sedimentation technique, form the active surface of the reactor, which is oriented in a north-south direction at an inclination of 11 degrees to the horizontal, and exposed to sunlight. While, under sunny conditions complete disinfection occurred after thirty (30) minutes, under cloudy conditions the time required was sixty (60) minutes. There was no effect for runs carried out at nighttimes. This rapid sterilization of contaminated water is attributed to the production of highly reactive species as hydroxyl radicals produced by titanium dioxide nanoparticles in the presence of the UV component of sunlight. We have in addition tested decontaminated water both from the SODIS method and the advanced oxidative method using TiO2

The potential of SODIS, SODIS-like methods and titanium dioxide nanoparticles for water disinfection in rural communities of Trinidad & Tobago

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nanoparticles for regrowth. No regrowth was observed in water decontaminated by both methods after 30 days of storage in a room exposed to diffuse sunlight during the day.

INTRODUCTION

The availability of potable water is an important issue in the modern world. In the developed countries, the purification and recycling of wastewater by modern technologies such as reverse osmosis have contributed significantly to improving its availability. Today, about two billion people in mainly in the developing world do not have a safe supply of drinking water (WHO Report, 1993). Diarrhea and the resulting body dehydration are responsible for about 2.5 million deaths annually in the third world. Additionally, fresh water availability can become a life threatening issue as a result of natural disasters. The aftermath of the tsunami in South East Asia on December 26th 2004, and the effects of hurricane Katrina in the United States in August of 2005 are clear examples of the effect of disasters on the fresh water supplies. It is therefore important that simple technological methods be developed not only to satisfy the needs of poor communities in areas of the developing world such as Latin America and the Caribbean but also to address the immediate needs of people following natural disasters. In this paper, we report on the disinfection of natural as well as artificially contaminated water using three methods: SODIS, a variation of SODIS which we call the SODIS-like method, and a technology using a reactor with an active surface containing titanium dioxide nanoparticles. We report also on the regrowth of E. coli after decontamination.

LOCATION OF STUDY

The Caribbean islands of Trinidad and Tobago are located between the Caribbean Sea and the North Atlantic Ocean (11° N, 61° W) (Figure 1). They are Northwest of Venezuela. The Republic of Trinidad and Tobago is an archipelagic state located at the southernmost extremity of the Caribbean Island chain. The two main islands together comprise a total land area of 5,126 sq. km. The daily solar insolation varies from about 0.7 kWh/sq.m. during the dry season (January to May) to about 0.4 kWh/sq.m. during the rainy season (June to December). According to the May 1990 census, the population of the country was 1.24 million with the average population density of 242 people per square kilometer.

The location of the study was the Mayaro-Guayaguayare region on the east coast of Trinidad and the Caura region at the foothills of the Northern Range Mountains. The Mayaro-Guayaguayare region is flat with areas of swampland. The Ramsar Site on the Nariva Swamp is a popular ecotourism destination. The 30 km stretch from Manzanilla to Guayaguayare is sparsely populated, with the Manzanilla area having a population density fewer than 20 inhabitants per sq. km. and the Mayaro coastal stretch 20-100 per sq. km. The main activities of these rural communities are fishing and small scale agriculture.


359

Figure 1. Map of Trinidad and Tobago indicating the study area

This coastal area is currently being developed with a growing number of small to medium sized guesthouses. Some residents are employed by these establishments. The effluents from dwelling houses as well as these establishments pose a serious health hazard in these communities. In some areas in this region, rainwater is collected in drums for domestic use (Figure 2). It is recommended in these areas that pipe borne water should be boiled. Most homes with pipe borne water supply have water tanks for storage since the supply is not reliable. The Caura is very scenic and the Caura River in particular is used for picnics and recreational activities. Small-scale crop farming is carried out in this region.

Figure 2. Photograph of storage of water in barrels in Mayaro


360

METHODOLOGY

Solar Disinfection (SODIS) using PET bottles

The experimental equipment consisted of a cooler with ice for sample storage after collection, 2-liter plastic bottles for collecting samples, 600 mL transparent bottles made of polyethylene terephtalate (PET) for optimal transmissivity of solar radiation (Wegelin et. al. 2000), black oil paint, weather station for measuring insolation and air temperature, thermometer and thermocouple for measuring water temperature, corrugated galvanized iron sheets (CGI) and boxes lined with aluminum foil for simple solar concentration, systems for total bacterial and fecal coliform counts and an incubator which could be maintained at various temperatures. All equipment and materials were easily obtainable locally in Trinidad and Tobago.

Figure 3. Bacterial concentration as a function of turbidity

Rain water samples from Mayaro and river water samples from the Caura River were collected in sterilized 2 L plastic bottles and stored on ice up to a 2-hour period prior to beginning experiments. The 600 mL PET bottles, which were discarded commercial water bottles, were delabeled and sterilized with distilled water. Half of the surface of each bottle was painted black in the longitudinal direction to increase temperature. The PET bottles were labeled, filled with the respective water sample, and then placed horizontally in a north-south alignment directly on the sunlight exposure platform of the Solar Energy Laboratory of the Natural Sciences Building at the University of the West Indies, Trinidad. In addition to the natural samples, artificial contaminated water samples were prepared by inoculating distilled water with fecal coliform bacteria and subjected to SODIS as described above. In preparing the artificial contaminated samples, a nutrient plate was streaked using a standard agar slant containing pure E. coli culture and incubated for 24 hours. Colonies were then transferred to nutrient broth (1 colony per 100 mL broth) and grown by shaking continuously for 18-24 hours (temperature to be given). Nutrient broth became turbid indicating rapid growth of colonies. A correlation between turbidity and

Graph of No. of CFU's vs. % Transmittance

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20

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40 50 60 70 80 90 100 110

% Transmittance

No.

of C

FU's

/ 10

^9


361

number of bacteria was developed using spectrophotometric measurement of percent transmittance of serial dilutions and determining the concentration of bacteria by standard heterotrophic plate counts.

This was done prior to inoculation of the water samples. Figure 3 shows the correlation curve for bacterial concentration vs. turbidity. Two 2 L water samples were then inoculated with 100 mL of culture of the following dilution: high strength (0 dilution), and low strength (1/64 dilution). Initial bacterial densities ranged between 105 CFU/100 mL sample (low strength) and 1011 CFU/100 mL sample (high strength). For these samples, the simple solar concentration using boxes lined with aluminum foil was always used.

SODIS-like experiments using clear and black glass spheres

These experiments were similar to the normal SODIS experiments except that glass spheres either black or colorless were placed in the bottles with contaminated water as follows:

• Clear PET bottles with black glass spheres

• Half blackened PET bottles with colorless glass spheres

• Clear PET bottles with colorless glass spheres.

The spheres, which were all about 1cm in diameter, were obtained from a garden shop in Trinidad. Eight bottles were used in each case. As in the case of normal SODIS experiments, they were placed on the solar platform of the Solar Energy Laboratory in a north-south direction, and one bottle from each group removed and tested for bacterial concentration every 30 minutes. Solar radiation, ambient temperature, UV (A+B) and UV (C) measurements were also taken at the same times.

Preparing and testing the TiO2 reactor built in Trinidad and Tobago

Figure 4 is a photograph of the TiO2 reactor on the roof of the Natural Science Building at the St Augustine campus in Trinidad. Figure 5 is a schematic view of the reactor system. The reactor consists of two glass plates mounted in an aluminum frame. They are separated by about 8.0 cm. TiO2 is deposited on the lower plate, which is made of frosted glass, purchased locally. This is the “active surface” of the reactor. The upper plate is protective and consists of normal transparent clear glass. Both plates are supported by “channelings” on the inner perimeter of the aluminum frame. The supporting base consists of three sections, which can be easily dismantled making it very portable. The upper section has a deep recessed area to accommodate the reactor and built in locks to firmly secure it. The middle section has adjustable stability pins at the corners to ensure stability of the entire structure. It has, in addition, two pivots at one end for attachment to the upper section and a centrally mounted car jack to permit elevation of the upper section, which carries the reactor. The lower section is the “foot” of the entire system. It contains a centrally mounted bearing to which the middle section is connected. This section permits rotation of the middle section about its axis for solar tracking. In operation, the upper section forms a sealed chamber, which can be inclined at an appropriate angle. The peristaltic pump ensures a fixed flow rate of contaminated water to the top of the active reactor plate, which then flows under the influence of gravity to the


362

collection point at the lower end of the plate. The flow rate can be varied to determine the optimum rate for photodegradation. The stainless steel reservoir can be isolated from the main reservoir by a valve, which therefore permits single runs or multiple runs. The inlet port and both outlet ports are made of polyvinyl chloride (PVC). All areas with which the contaminated water will be in contact are constructed with either stainless steel, glass, PVC or non-reacting Tygon hosing.

Figure 4. Titanium dioxide reactor on the roof of the Natural Science Building in Trinidad

To coat the active reactor plate with TiO2, the protective plate of the upper section was removed to expose the active reactor plate and the “sedimentation” method used. With this plate in a horizontal position, a suspension of 8 g of TiO2 in 2 L of water was poured onto it. The TiO2 in the suspension was deposited on the frosted glass plate in about 12 hours and excess water removed by evaporation. A scanning electron micrograph (SEM) of the surface was made using a sample of frosted glass that was similarly treated. In the experiments, the reactor was exposed to sunlight and the ambient temperature, the temperature of the air within the reactor and the reservoir temperature measured with water contaminated with fecal coliform bacteria flowing over its surface. Water samples were collected from the reactor reservoir at various intervals and tested for bacterial concentration using the Colilert 18 system. In future runs, the ability of the reactor to purify water contaminated with dichloroacetic acid (DCA) as a model contaminating compound will be tested.


363

Test Point Contaminated Water Reservoir Pump

Solar light

TiO2 Treated Glass Plate

Figure 5. Schematic view of the TiO2 Fixed-Bed Solar Reactor

Regrowth experiments

Water from the Caura River decontaminated using the conventional SODIS method as well as the advanced oxidation method with the TiO2 reactor was allowed to stand in a laboratory area that was exposed to diffused sunlight during the daytime. Samples were removed every 2 days for bacterial testing using the Colilert 18 system. These experiments were carried out over a period of 30 days.


364


SODIS-PET bottles

Figures 6-8 show the variation of insolation, air temperature and sample temperature with time of the day when rain water and tap water samples from Mayaro were subjected to SODIS. In spite of the rainy conditions the solar insolation (Figure 6) ranged between 0.9 kW m-2 to 0.2 kW m-2. The irregular portion of this curve represents periods of heavy cloud cover. The air temperature (Figure 7) was 30 °C at 10.00 am and increased gradually to 32 °C at 12.45 pm, and then decreased gradually to 30 °C at 4.30 pm. The water sample temperature (Figure 8) was 30 °C at 10.00 am and achieved a maximum value of 52 °C at 12.45 pm. These general trends seen for insolation, air temperature and sample temperature were also observed on the days on which the other samples were subjected to SODIS.

Figure 6. Variation of insolation with time of the day (Tue 29th Oct 2002)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

10.00 10.40 11.20 12.00 12.40 1.20 2.00 2.40 3.20 4.00

Time of day

Sol

ar In

sola

tion

/ kW

/m2


365

Figure 7. Variation of air temperature with time of the day (Tue 29th Oct 2002)

Figure 8. Variation of water temperature with time of the day (Tue 29th Oct 2002)

There was a 99.9% reduction in both the fecal count in 4 hours and total bacterial count after 6 hours of exposure of the samples to sunlight (Figures 9a and 9b). This is attributed to the direct action of the UV radiation and the temperature rise of the water sample due to the infrared radiation, on the bacteria. The concentration of bacteria in the tap water sample was low compared to the rain water sample. This is attributed to the presence of chlorine in the tap water.

0

10

20

30

40

50

60

10.5 11.3 11.5 12.1 12.3 1 1.25 1.45 2.05 2.25 2.45 3.15 3.4 4

Time of day

Wat

er T

emp

/ o C

2929.5

3030.5

3131.5

3232.5

10.00

10.30

11.00

11.30

12.00

12.30 1.0

01.3

02.0

02.3

03.0

03.3

04.0

04.3

0

Time of day

Air T

emp

/ o C


366

Figure 9a. Reduction in concentration of fecal coliform with time (29th Oct 2002)

Figure 9b. Reduction in total bacterial concentration with time (29th Oct 2002)

Figures 10a and 10b are the results of SODIS investigation on rain water samples collected in St. Augustine, Trinidad which were exposed to simple solar concentration by lining a box with aluminum foil. In this case, both the fecal coliform count and the total bacterial count were reduced by 99.9% within 2 hours. Similar results were obtained with pure water that was artificially contaminated (Figures 11a and 11b). These results indicate that up to the high E. coli concentrations in the artificial samples contaminated water can be purified within 2 hours using this simple solar concentration technique under local conditions.

Graph of total bacterial count vs exposure time

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

0 2 4 6

Exposure time /hrs

Tota

l Bac

teria

cou

nt p

er

100m

l sam

ple

rain watertap water

01000020000

30000400005000060000

7000080000

0 2 4 6

Time of exposure / hrs

Feca

l cou

nt p

er 1

00 m

l sam

ple

rain watertap water


367

Figure 10a. Fecal bacteria reduction with SODIS time for rain water samples with concentration using foil lining in box (Wed 4th Dec 2002)

Figure 10b. Total bacterial reduction for rain water sample (Wed 4th Dec 2002)

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6

Time of exposure / hours

Feca

l cou

nt /

per 1

00m

l sam

ple

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 2 4 6

Time of exposure / hours

Tota

l bac

ti. c

ount

/ pe

r 100

ml

sam

ple


368

Figure 11a. Fecal count of clear water sample (10th April 2003)

Figure 11b. Fecal count of clear water sample vs. Exposure Time -Clear Water (24th April 2003)

SODIS-like experiments

The results of the SODIS-like experiments using glass spheres are shown in Figure 12a. The clear PET bottle with black glass spheres performed best, followed by the painted clear PET bottle with clear spheres and the clear PET bottle with clear spheres. While the bacterial decreases after 1.5 hours were 98%, 85% and 59% respectively; after 4.5 hours they were 98%, 95% and 67% respectively. The better performance of the

02E+104E+106E+108E+101E+111E+111E+112E+112E+112E+11

0 2 4 6

Exposure time / hours

Feca

l cou

nt/ p

er 1

00m

l sam

ple

0

10000000

20000000

30000000

40000000

50000000

60000000

0 1 2 3 4 5 6 7

Exposure Time (hrs)

Feca

l cou

nt /

per 1

00 m

l sam

ple


369

Graph showing bacterial decrease with time for SODIS on 15/8/2006

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

TIME (Hours)

Bac

teria

l cou

nts

/ 100

ml

Clear bottle with black beads Black bottle with clear beads Clear bottle with clear beads

black spheres relative to the SODIS arrangement (half-blackened bottles with clear spheres) is attributed to the larger black surface area of the black spheres relative to half blackened SODIS PET bottle. The decrease in bacterial count in all cases is attributed to both UV and thermal effects. However, thermal effects are larger where there are blackened elements. The variations of insolation, ambient temperature, UV (A+B) and UV (C) with time during these experiments are shown in Figs. 10b, 10c, 10d and 10e respectively.

Figure 12a. Decrease in bacterial concentration with time for SODIS- like experiments.


370

Graph showing Insolation for August 15th, 2006 from 8:30 am to 4:30 pm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 20 40 60 80 100 120

TIME ( X 5 mins)

Inso

latio

n ( W

h/m

2)

Graph showing the temperature variations for August 15th from 8:30 to 16:30

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120

TIME ( X 5mins)

TEM

PER

ATU

RE

(Cel

sius

)

Figure 12b. Insolation as a function of time.

Figure 12c. Variation in ambient temperature with time.


371

Graph of UVC for August 15th.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

TIME (Hours)

UVC

(um

/cm

2)

Graph of UVA+UVB for August 15th.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

TIME (Hours)

UVA

+UVB

(mW

/cm

2)

Figure 12d. Variation of UV (A+B) with time.

Figure 12e. Variation of UV(C) with time.


372

The titanium dioxide (TiO2) nanoparticles

An electron micrograph of the TiO2 surface is shown in Figure 13. The large contact surface area presented by these particles is clearly evident.

Figure 13. SEM image of TiO2 nanoparticles on frosted glass

Figure 14. Graph showing the insolation curves as a function of time on the same axes.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40 50 60 70

Time (min)

Inso

latio

n (W

h/m

2 )



373

Figure 14 illustrates the variation of insolation with time for four experiments, three under different daylight conditions and one during the night. The average insolation was 1058 Wh/m2 for June 12th, 733 Wh/m2 for June 23rd and 750.5 Wh/m2 for June 30th and 0 Wh/m2 for the night run (July 6th).

Figure 15. Reservoir temperatures for the 12th, 23rd and 30th of June and the 6th of July.

Temperature variations of the water reservoir for the four experiments are shown in Figure 15. In general, for the daytime runs the temperature increased attaining a value of 42 ºC after one hour. The temperature remained relatively constant at 25 ºC for the night run.

Figure 16 illustrates the bacterial concentration as a function of time for the four experiments. The night run bacterial concentration was constant while for the daylight run there was a rapid decrease in concentration with time. The bacterial concentration was down to measurable values within 10 minutes and all bacteria were destroyed after a further 20 minutes for June 12th. For the run of June 23rd, the bacterial concentration was down to measurable values in 15 minutes and fell to zero in a further 15 minutes. For the run on June 30th, the bacterial concentration was down to measurable values in 45 minutes and decreased to zero after a further 15 minutes.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Time (mins)

Tem

pera

ture

(Cel

sius

)



374

Figure 16. Bacterial decrease with time for the 12th, 23rd and 30th of June and the 6th of July.

As previously mentioned the average value of 1058 Wh/m2 for June 12th was the highest.

Except for the night run, there was generally an increase in the temperature of the reservoir as well as the reactor with time. The final temperature of the reservoir after one hour in each case was 42 ºC. This increase in temperature will contribute to a reduction in the bacterial concentration (see Clarke et. al, 2005). However, temperature increase cannot fully account for the data since SODIS must operate for about four hours for complete removal of E. coli. No heating effect was observed on the night of July 6th. The temperature recorded was the ambient temperature and this decreased by less than 1 °C as the night became cooler. There was no insolation and no bacterial decrease with time. In our experiments, complete disinfection was obtained after 30 minutes on two occasions and 60 minutes on another occasion as shown in Figure16.

We believe that the photocatalytic effect of titanium dioxide is the main contributor to the observed decrease in bacterial concentration with the assistance of ultraviolet light. TiO2 is a photocatalyst, which absorbs ultraviolet light from short wavelengths up to 400 nm and is known to be effective in solar detoxification (Pelizzetli et al, 1990; Linsebigler et al 1995). Upon near UV irradiation, TiO2 generates electron/hole (e-/h+) pairs, according to Equation (1).

TiO2 + hν → TiO2 (e-/h+) (1)

The latter can react with surface bound hydroxyl groups to generate hydroxyl radicals as shown in Equation (2).

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Time (min)

Cou

nts

per 1

00m

l



375

TiO2 (h+) + OH- → HO• + TiO2 (2)

The hydroxyl radicals then attack the bacteria thereby disinfecting the water. It is perhaps significant to note that while the solar insolation on June 30th was about the same average value as on June 23rd, bacteria were totally eliminated in 60 minutes on June 30th but in 30 minutes on June 23rd. June 30th was however a cloudier day, which suggests a reduced UV effect and consequently an increased time duration for complete disinfection. This also explains why no effect was obtained for the night run.

Regrowth after disinfection by SODIS and the advanced oxidative method using TiO2

The results of these experiments are shown in Figures 16a and 16b respectively. Bacterial testing using the Colilert 18 system indicated that no growth is evident after a period of 30 days. This indicates that the disinfected water can be stored for at least 30 days.

CAMPAIGNS OF APPLICATION AND OTHER SOCIAL ACTIVITIES

Manzanilla, Mayaro and Guayaguayere areas

Our information campaigns were made during sample collecting trips in these areas. Because pipe borne water is often not available, residents in these use rain water collected from the roofs of buildings for drinking, cooking and washing. The people here are often simple and earn their livelihood from fishing, small farming and tourism via employment in small guesthouses that are being set up in these areas. When visiting homes to collect water samples for testing, we informed these residents of the E. coli content of their drinking water and how the SODIS technique could be applied. Guest houses in this region provided a special opportunity since it is important to the managers of these institutions that their visitors should not become sick because of E. coli contaminated water. Some had small scale systems for recycling “grey” water. We showed them how they could extend their systems with the SODIS system by using a series of PET bottles stuck together forming a long tube with the underside blackened so that grey water could be purified not only from phosphates and other pollutants but also from microbiological contamination, thereby making the water potable. We did about six collection campaigns in this area and residents were educated on each occasion.

Caura area (Caura valley and river)

This area in North East Trinidad is used extensively as a recreational area for picnics, bathing and cooking. Many visitors to this area bring their own foodstuff which would be prepared and cooked at the river-side. This is commonly known in Trinidad and Tobago as a “River lime”. Our tests showed that the river water was highly contaminated particularly during the dry season (January to June). There have been numerous reports


376

picnickers developing diarrhea after a “River lime”. During our several collection campaigns in this area we cautioned users and advised how the use of SODIS could ensure safe water during recreation.

Sunday newspaper article

Through the Business Unit of the University of the West Indies, information on SODIS and its application was made available to the entire population of Trinidad and Tobago. The method was described in a very simple manner thereby enabling anyone to decontaminate E. coli contaminated water in rural areas as well as in case of natural disasters.

Hurricane Ivan – Sending material on SODIS to Grenada and Haiti

In the aftermath of Hurricane Ivan, which produced extensive destruction in Grenada and Haiti, material was provided to emergency teams from Trinidad that visited these islands following the hurricane.

Meeting with governmental officials

Meeting with Mrs. McIntyre - Permanent Secretary in the Ministry of Information

A direct face to face meeting was held with Mrs. McIntyre, during which the SODIS method was discussed in particular with respect to remote rural villages in Trinidad and Tobago. Arrangements are being made for a special radio program in which the application of SODIS will be discussed.

Education/training/NGOs

Information at the University Level

Two undergraduate seminars, one postgraduate seminar and one general seminar were delivered to the university community. Members of the university community were well sensitized to the simplicity and applicability of the techniques.

Meeting of the Caribbean Academy of Sciences in Guadeloupe in May, 2006

Two papers were delivered by scientists of our group at this meeting, one dealing with SODIS with PET bottles and the other with TiO2. Scientists from the entire region about 14 countries attended this meeting.


377

Invited lecture by Caribbean Ambassadors in Washington on receiving the NCOCA award

The SODIS project formed the major part of an inviter lecture that the coordinator gave to ambassadors of the CARICOM countries in Washington in October 2005.

Plenary lecture at the 5th Asia Pacific countries on Sustainable Development

Prof. R. Saunders was invited to give a plenary lecture on Sustainable Development at this meeting. The work on SODIS was a prominent part of this lecture, which was well received by the participants of this Asia/Pacific Meeting.

Information to Nicaragua

In a visit to Philadelphia in July, 2006, we informed a colleague of the technique. He has subsequently sent the information to many colleagues of his in Nicaragua.

DESIGN AND APPLICATION IN OTHER REGIONS

There are several other regions of Trinidad and Tobago where SODIS may be useful. These include the Caroni area of Central Trinidad and the North Eastern region including areas such as Arima, Sangre Grande, Bleanchisseuse, and the Toco areas as well as the island of Tobago. We plan to replicate findings for these areas once funding is available. An extension of the present project would be very helpful.

SUSTAINABILITY AND FUTURE FUNDING

A new institute “The Critical Thinking Institute” has been created on the St. Augustine Campus of the University of the West Indies. The Principal of the University seems to be interested in placing this project in this institute. This would ensure further funding if this does occur. In addition, this area of research will continue as a research area in the Physics Department of the University of the West Indies, St. Augustine.

ACKNOWLEDGEMENTS

We wish to thank the Organization of American States for its assistance and in particular the Project Coordinator Dr. Marta Litter, who has always been very patient with us. We thank Dr. Campbell of the local OAS office for his assistance and the University of the West Indies for the provision of laboratory space and other counterpart funding and Mr. David Hinds of the Electron Microscopy Unit for his assistance. Special thanks are also offered to the other partners of the Project, who have always been willing to share information with us.


378

REFERENCES

Clarke, R., Saunders, R., Mellowes, W., Kimkeram, K. and Ali Shah, S. (2005): Economic technologies for water disinfection in rural areas in Trinidad. APCSEET 2005, 116-122.

Linsebigler, A.L, Lu, G. and Yates, Jr. J.T. (1995): Photocatalysis in TiO2 surfaces: principles, mechanisms and selected results. Chem. Rev., 95, 735-758.

Pelizzetti, E., Minor, C. and Maurino, C. (1990): The role of colloidal particles in the photodegradation of organic compounds of environmental concern in aquatic systems. Advances in Colloidal Interface Science, 32, 271-316.

WHO (1993): Guidelines for drinking water quality. 2nd Edition Vol. 1, Geneva. Wegelin, M., Canonica, S., Marazuela, D., Suter, M., Bucheli, Th.D., Haefliger, O.P.,

Zenobi, R., McGuigan, K.G., Kelly, M.T., Ibrahim, P., Larroque (2000): Does sunlight change the material and content of polyethylene terephtalate (PET) bottles? Journal of Water Supply: Research and Technology, Aqua No.1, IWA Publishing.

Luciana de la Fuente, María Cecilia Soria, Miguel A. Blesa y Marta I. Litter

379

12

Acciones de difusión del Proyecto OEA/AE/141, “Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina”

Luciana de la Fuente1, María C. Soria2, Miguel A. Blesa1,3 y Marta I. Litter1,3




[email protected]

RESUMEN

Uno de los aspectos abordado por el Proyecto OEA/AE/141, “Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina” ha sido establecer mecanismos para la difusión del mismo con vistas a promover la aplicación de las tecnologías propuestas. Para ello, se establecieron contactos con organizaciones gubernamentales y no gubernamentales, se realizaron publicaciones en libros, revistas; notas periodísticas y presentación de toda la información obtenida en la página web del proyecto. Por otro lado, se elaboraron folletos para docentes y médicos, con el objeto de lograr un mayor acercamiento a la población e interiorizarla en la problemática de las enfermedades causadas por el agua contaminada y ofrecer posibles soluciones al respecto.

Acciones de difusión del Proyecto OEA/AE/141, ““Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina”

380

En este capítulo se resumen todas las actividades realizadas en este sentido en Argentina, algunas de las cuales comprenden acciones también para el resto de los países participantes en el Proyecto.

También se describe la campaña realizada en la provincia de Tucumán, Argentina con el objeto de difundir las tecnologías SODIS, SORAS y FH.

INTRODUCCIÓN

Uno de los objetivos más importantes del Proyecto “Tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en zonas rurales de América Latina” ha sido encarar la permanente difusión del mismo para la aplicación de las tecnologías propuestas a través de diversas acciones. Este objetivo resulta de suma importancia para lograr un mayor acercamiento a la comunidad en general e interiorizarla en la problemática de las enfermedades causadas por el agua contaminada y ofrecer posibles soluciones al respecto.

En muchos de los capítulos de este libro se indican acciones similares tomadas por los grupos de otros países. En el presente capítulo nos remitiremos solamente a las desarrolladas por nuestro grupo.

Las acciones llevadas a cabo fueron:

− Establecer contactos con organizaciones gubernamentales y no gubernamentales para difundir el proyecto.

− Crear y mantener activa la página web del proyecto.

− Realizar publicaciones en libros, revistas y diarios.

− Producir, editar y distribuir folletos de divulgación.

− Motivar el apoyo institucional.

− Realizar relevamientos del acceso al agua potable, características del agua utilizada y condiciones de salud de la población rural.

− Comenzar con un programa de esclarecimiento y difusión del Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico para médicos y docentes, para su posterior difusión a la población en general.

Durante el desarrollo del Proyecto (2002-2006) se fueron desarrollando diversas acciones de difusión, que culminaron en la obtención de los productos listados abajo. No se describirán exhaustivamente estas acciones, pero ellas pueden consultarse en los diferentes Informes del Proyecto en la página web del mismo.


381

• Creación de la página web del Proyecto OEA/AE/141 (http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/) para lograr la máxima difusión del mismo.

• Libros publicados por el proyecto:

o Avances en tecnologías económicas solares para desinfección, descontaminación y remoción de arsénico en aguas de comunidades rurales de América Latina - Proyecto OEA AE 141.

o Desinfección solar de aguas en comunidades rurales de América Latina.

o Remoción de Arsénico asistida por luz solar en Comunidades rurales de América Latina.

o Relevamiento de Comunidades Rurales de América Latina para la aplicación de tecnologías económicas para la Potabilización de Aguas - Proyecto OEA/AE/141.

• Notas en niveles de difusión más amplios a través de medios de comunicación:

o El diario El Liberal de Santiago del Estero, Argentina, publicó una nota sobre este proyecto en diciembre de 2004.

o Nuevo Diario, de Santiago del Estero, Argentina, domingo 12 de septiembre de 2004. Nota referida al Proyecto OEA/AE/141, disponible en http://www.nuevodiarioweb.com.ar.

o El Programa Científicos Industria Argentina, Canal 7, Buenos Aires, 15 de noviembre de 2004, 20:00 hs., referencia al Encuentro sobre uso y resultados de la aplicación de las tecnologías DSAUI, RAOS y FH en zonas rurales de países de América Latina realizado en la CNEA, 8 y 9 de noviembre. Retransmitido por Canal (a) el 18 de noviembre.

o En abril de 2005, en el mismo Programa Científicos Industria Argentina, filmación en Los Pereyra y en los laboratorios de la Universidad de Tucumán, en la cual se detallaron las actividades realizadas en el Proyecto OEA/AE/141.

o Diario La Jornada de Morelos 17/09/2004, Cuernavaca, Morelos, México.

o Nuevo Diario, de Santiago del Estero, Argentina, 21 de noviembre de 2004.

o “Low-cost technologies for disinfection and decontamination of water in rural zones of Latin America, an OAS funded project”, M.I. Litter, SETAC Globe, Volume 5 (2) Mayo de 2004, p. 8.

o Reportaje a los Dres. Litter y Blesa por la periodista Cristina Gozzi. En base a este reportaje, se publicaron artículos en los suplementos de salud de los siguientes diarios de Argentina:

La Voz del Interior (Córdoba)


382

La Gaceta (Tucumán)

La Nueva Provincia (Bahía Blanca)

La Capital (Rosario)

Crónica (Comodoro Rivadavia)

El Pregón (Jujuy)

La Mañana del Sur (Neuquén)

o Nota en el diario La Nación de Argentina del 22 de marzo de 2003 donde se mencionan las actividades del Proyecto.

o Participación de la periodista Claudia Mazzeo en la Reunión IV Seminario-Taller Internacional sobre agua, salud, ambiental y comunicaciones, organizada por OPS, PNUMA y ARCIS, Santiago de Chile, 18-19-20 de junio de 2003, donde se difundió el presente proyecto.

o Entrevista con periodistas de la agencia Telam de Argentina, el día 26 de marzo de 2002.

o Nota en el diario Crónica (Argentina), 31 de marzo de 2002.

o Reportaje en el programa Universidad Abierta, Periodista Lena Burtin, Radio Premium, 103.5 MHz, Buenos Aires, 13 de mayo de 2002.

o La conferencia “Catálisis de oxidación de compuestos orgánicos”, dictada por el Dr. Miguel A. Blesa en Mallorca, fue comentada en el Diario de Mallorca el 29 de julio de 2002.

o La revista Hydria realizó un reportaje a los Dres. Litter y Blesa, próximo a salir (2006).

Se publicaron además varios artículos científicos en revistas internacionales de alto impacto.

ZONAS DE ESTUDIO

Se eligieron zonas para la difusión de la aplicación de las tecnologías en Argentina en base a los siguientes factores:

1. Existencia de núcleos poblacionales importantes, pero dispersos y no conectados a redes de provisión de agua potable.

2. Condiciones socioeconómicas desfavorables, que puedan generar contaminación biológica en las aguas empleadas para el consumo humano.


383

3. Condiciones acreditadas de niveles altos de arsénico en las aguas de consumo humano, y referencias a incidencia epidemiológica del HACRE (hidroarsenicismo crónico regional endémico), descrita en la Argentina ya a principios del siglo XX.

4. Disponibilidad de niveles elevados de radiación solar. Los registros del período 1972-1996 arrojan un valor medio anual de 149 W m-2, con un máximo promedio de 271 W m-2 para el mes de enero de 1977 y un mínimo promedio de 62 W m-2 para el mes de mayo de 1983.

5. Relativa facilidad de acceso a los sitios escogidos para realizar las pruebas de campo.

6. Existencia de infraestructura científico-técnica local adecuada para una buena inserción del Proyecto, y apoyo de las autoridades de aplicación.

7. Denuncias de contaminación del agua realizadas por los pobladores.

A continuación se describen brevemente algunas de las zonas de la provincia de Tucumán donde se han realizado campañas de difusión.

Los Pereyra

Se encuentra ubicada a 70 km al este de la ciudad de San Miguel de Tucumán. Se trata de una pequeña localidad rural, que cuenta con unos 1000 habitantes, dedicados principalmente a actividades agrícolo-ganaderas (cultivo de soja, porotos, etc.).

El clima en la región es subtropical, con una estación seca que se extiende entre mayo y septiembre. La precipitación media anual es 800 mm/año y la temperatura media 19 °C.

No existen cursos de agua superficial destacados en la región, por lo que el abastecimiento de agua de la población se realiza por medio de aguas subterráneas. La composición dominante de las aguas de la freática es bicarbonatada sódica con concentraciones muy variables de los iones mayoritarios. La salinidad y el contenido de sólidos totales son también muy variables (entre 375 y 5990 mg L-1). El pH varía entre 6,8 y 8,6, con un valor promedio de 7,8. Estas aguas son principalmente óxicas, con concentraciones de oxígeno disuelto que varían entre 0,17 y 8,06 mg L-1. En algunos pozos, la concentración de nitrato excede el límite establecido por el Código Alimentario Argentino, CAA, (45 mg L-1), con un valor promedio para la zona de 100 mg L-1.

Las condiciones de salubridad de los pozos someros son muy precarias, asociadas a contaminación microbiológica y los niveles de As, que son los más elevados de la región (el 85% de las muestras de la freática superan el valor del CAA, y el 100% supera el valor de la OMS), están asociados con una importante incidencia del HACRE.

Las aguas subterráneas profundas del área son en general de buena calidad. Sin embargo, las de algunos pozos no son aptas para consumo por la presencia de coliformes fecales.

En la Figura 1 se presenta un mapa de localización de la zona en la República Argentina y en la Figura 2 se muestra una foto de Los Pereyra.


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Figura 1. Mapa de Argentina, provincia de Tucumán y área de estudio

Figura 2. Foto de Los Pereyra, Tucumán

Alpachiri

Tiene una población de aproximadamente 3000 habitantes y está ubicada a 90 km al sur de la capital tucumana. Posee un clima similar al de Los Pereyra. La población es en su mayoría indigente. Su nivel de ingreso varía según la época del año, pues dependen de la cosecha del limón y la papa, que dura aproximadamente entre seis semanas y dos meses. Viven en su mayoría en casas precarias, construidas con madera, chapa, y un número reducido de casas están construidas con ladrillos. Aproximadamente el 50% no posee agua potable, y los pobladores recurren a aljibes o a los ríos de la zona a fin de abastecerse del agua necesaria para beber e higienizarse. En el verano la escasez de agua es casi total. El líquido que sale es oscuro, y a veces aparece con barro. Por ello, mucha gente se enferma de diarrea o del estómago. El problema se profundiza en el verano, cuando los filtros de la toma del arroyo Los Ahojones se obstruyen con sedimentos de las crecientes. En esos días, la falta de agua también se advierte a raíz del escaso caudal que tienen los ríos y arroyos de la zona por la escasez de lluvias. De


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allí que varios vecinos se abastezcan de agua de pozos antiguos que tienen algunos lugareños.

La Invernada y La Cocha

La Invernada y La Cocha se encuentran ubicadas 117 y 150 km, respectivamente, al sur de San Miguel de Tucumán. No se cuenta con información oficial sobre las características geográficas, climatológicas y demográficas de ambas localidades, pero son similares a las de Alpachiri.

ACTIVIDADES REALIZADAS

Creación y actualización de la página web

Se ha realizado la permanente actualización de la página web del proyecto (http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/), incluyendo su traducción al idioma inglés, para lograr un mayor alcance de la misma. Esto ha redundado en la amplia difusión del Proyecto, habiéndose recibido innumerables preguntas y pedido de información a lo largo de los cinco años de duración del mismo.

Contactos con profesionales, instituciones y organizaciones no gubernamentales

Para propiciar la difusión del proyecto a la sociedad, tendiente a la posterior aplicación de las tecnologías en campo, se ha procedido a contactar a profesionales, instituciones u organizaciones relacionados con la temática o que pudieran estar interesados en colaborar con este objetivo. Se obtuvo la disposición a la colaboración de los siguientes grupos o profesionales:

− Dr. Carlos Padial, especialista en HACRE, Santiago del Estero.

− Grupo de trabajo de Proyecto sobre hidroarsenicismo de la Universidad Nacional de Tucumán, contacto: Arq. Beatriz Garzón.

− Asociación de Ingenieros, Técnicos y Especialistas de Santiago del Estero (AITE). Contacto: Ing. Jorge Ragno.

− Asociación civil por los derechos del consumidor (ADEUCO), San Luis. Contacto: Jorge Olguín.

− FAO (Roma). Contacto: Sasha Koo Oshima, Oficial de calidad de agua y medio ambiente.

− Asociación Argentina de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (AIDIS). Contacto: Paola A. Azrilevich. A esta asociación se enviaron copias de los libros editados durante el Proyecto para su ingreso en la base de datos de la Biblioteca Virtual de


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Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental de la Organización Panamericana de la Salud (BVSDE), de la cual forman parte.

− Acción Contra el Hambre, Haití. Contacto: William Austen Bradbury, Responsable de agua y saneamiento.

− Fundación Confluencia Sur, Bs. As. Contacto: Lic. Silvana Puglisi.

− Ing. Mabel Chambouleyron, Mendoza, Programa de Educación Ambiental.

− Daniel Ovejero, Santiago del Estero, Profesorado de tecnología. Escuela normal Manuel Belgrano.

− Fundación Argentina de los Trabajadores Rurales y Estibadores (FUNDATRE), con la cual se desarrolló una amplia acción que se describe más abajo.

Asesoramientos y otro tipo de acciones de difusión

Declaración 2056-D06 de la Honorable Cámara de Diputados de la Nación Argentina

La Diputada Cristina Álvarez ha presentado a la Cámara de Diputados de la Nación un Proyecto de Resolución por el cual se solicita al Poder Ejecutivo que se instrumente y difunda el programa desarrollado por la Unidad de Actividad Química de la Comisión Nacional de Energía Atómica sobre tecnologías económicas para la desinfección y descontaminación de aguas en regiones rurales de escasos recursos hídricos y económicos.

Trabajo en colaboración con el Dr. Carlos Padial

Aprovechando la experiencia del Dr. Carlos Padial en la temática, se editaron folletos de difusión dirigidos a médicos y sanitaristas sobre la problemática del HACRE (Figura 3). Estos folletos fueron entregados también a los responsables del Proyecto OEA/AE/141 en otros países para su distribución.


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Figura 3. Tapa de folleto de difusión sobre el HACRE dirigido a médicos y sanitaristas

Asesoramiento a la Escuela San Francisco de Asís de San Carlos de Costa Rica

Se ha asesorado a alumnos de la Escuela San Francisco de Asís, San Carlos de Costa Rica, para su participación en la VII Feria Regional de Ciencia, Tecnología y Sociedad – San Carlos y la XXI Feria Nacional de Ciencia y Tecnología – San José – C.R. con el proyecto “Descontaminación del agua por medio de energía solar”, que aplicó la tecnología SODIS en su región.

Programa de tratamiento de SORAS en América Latina

Se diseñó un proyecto en colaboración con la Dra. Margarita Hidalgo de la Universidad Nacional de Tucumán y el Dr. Jochen Bundschuh del Instituto Costarricense de Electricidad para la remoción de arsénico por oxidación solar en América Latina cuyo objetivo general es comparar la eficiencia de la tecnología SORAS en aguas superficiales y subterráneas de diferente composición química, diferentes condiciones de pH y potencial redox de países de América Latina: Argentina, Bolivia, Nicaragua, Costa Rica. Las áreas de estudio poseen también diferentes intensidades de radiación solar.

Asesoramiento al Programa Equipos Comunitarios para Pueblos Originarios del Ministerio de Salud

A través de la página web del Proyecto se ha contactado con nosotros el Ing. Químico Marcelo Gallini, del Programa Equipos Comunitarios para Pueblos Originarios del Ministerio de Salud, quien nos ha traído muestras de agua de las provincias de Mendoza y San Juan con altas concentraciones de arsénico, para analizar y ensayar el método de remoción solar de arsénico, para luego aplicarlo en la zona.

Acuerdo de colaboración con la Universidad de Massachusetts Lowell, EE.UU.

Se establecerá un acuerdo de colaboración con el Prof. John Duffy (contactado por la Dra. Litter en el Solar World Congress 2005) para trabajar en el desarrollo de sistemas de fotocatálisis heterogénea en botellas y realizar ensayos de campo en pueblos de Perú, seguido de un proyecto de comercialización de la idea. Se construirán prototipos y se diseñará una estrategia para entregar las botellas a aquéllos que la necesiten.


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Artículos de prensa

Se han preparado artículos con información del proyecto y las tecnologías propuestas, para medios de prensa argentinos, los cuales se publicarán oportunamente.

Acuerdo de colaboración con FUNDATRE

El 19 de diciembre de 2005 se firmó un acuerdo de cooperación con FUNDATRE, en conjunción con la Universidad de San Martín. Para refrendar el acuerdo, se llevó a cabo un acto en la sede del gremio UATRE (Unión Argentina de Trabajadores Rurales y Estibadores) en el cual participaron el Presidente de la Fundación, Sr. Roberto Pedro Petrochi, el Director de la Escuela de Posgrado de la Universidad Nacional de San Martín, Dr. Alberto Pochettino, la Dra. Marta Litter, el Dr. Miguel Blesa, la Lic. Cecilia Martino de FUNDATRE, el Sr. Rubén Benítez, Secretario de Acción Social de UATRE y el Sr. Jerónimo Venegas, Secretario Gral. de OSPRERA (obra social del gremio).

Por otro lado, FUNDATRE ha publicado en la revista Salud Rural (Año 3/Nº13/Febrero 2006/ ISSN 1667-8834, Órgano Oficial de Difusión de la Obra Social del Personal Rural y Estibadores de la República Argentina, la nota “Más FAMILIAS RURALES contarán con AGUA SEGURA”, referida a dicho convenio. En la nota se menciona el acto de presentación y se indica que el convenio para la implementación del proyecto “Tecnologías Económicas para la Desinfección y Descontaminación de Aguas en Zonas Rurales de América Latina” tiene como objetivo contribuir a mejorar la calidad del agua de consumo, capacitando a las familias rurales que carezcan de agua potable en la desinfección y saneamiento del agua por los métodos sencillos y económicos desarrollados por el proyecto OEA.

Por otra parte, se presentó el programa “Agua Pura” para trabajadores rurales. Con este fin se editaron folletos explicativos (Figura 4), los cuales fueron repartidos en la reunión anual de UATRE (Unión Argentina de Trabajadores Rurales y Estibadores) y FUNDATRE en diciembre de 2005 y en la Exposición Feriagro, en el mes de febrero de 2006.

Figura 4. Tapa externa del folleto del Programa “Agua Pura”


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Se ha trabajado con FUNDATRE para adaptar una encuesta de determinación de calidad del agua de bebida y calidad de vida de los pobladores de Los Pereyra, Alpachiri y La Invernada de la provincia de Tucumán, con la producción de un afiche y un díptico explicativo para repartir en las zonas mencionadas. Estas actividades se describen más abajo.

Acuerdo de colaboración con la Fundación Confluencia Sur

Se firmará próximamente un acuerdo con la Fundación Confluencia Sur cuyo objetivo es lograr la incorporación del tema “Tratamiento de aguas por tecnologías solares” en la educación formal.

En colaboración con Confluencia Sur, se editaron folletos sobre la problemática del HACRE dirigidos a docentes de todos los niveles. Estos folletos fueron entregados también a los responsables del Proyecto OEA/AE/141 en otros países para su distribución (Figura 5).

Figura 5. Tapa externa del folleto de HACRE para docentes

Campaña en Tucumán

Esta campaña se realizó con el apoyo de la Dra. Alicia Jordán, del Ministerio de Salud de la provincia de Tucumán, de acuerdo a un programa que incluye los siguientes puntos:

relevamiento y diagnóstico del acceso al agua potable de la población rural

relevamiento de datos de ingreso a centros de salud por enfermedades de origen hídrico

diagramación de un plan de acción para la implementación del programa

adaptación del material científico en forma didáctica, y la realización de una encuesta, en las localidades implicadas


390

difusión del programa en forma sistemática

convocatoria y realización de jornadas de difusión

convocatoria y realización de talleres de difusión para el aprendizaje y la implementación por parte de pobladores rurales

seguimiento y evaluación de los resultados.

Se entrevistó al Ing. Walter Castellano de la Dirección de Saneamiento Ambiental (reemplazante de la Dra. Jordán con la cual se había establecido inicialmente el contacto e informado del programa a realizarse), para anunciarle el comienzo del programa y solicitarle el apoyo del mismo, proveyéndole los libros editados por el proyecto OEA, y los folletos y afiches producidos por FUNDATRE para el mismo fin.

Se visitó la comuna de Los Pereyra (Figura 6) para presentar el mencionado programa, explicar las tecnologías económicas de descontaminación, repartir folletos informativos y también solicitar la colaboración de los representantes del pueblo.

Se entrevistó al médico del centro de salud de la población para reunir información acerca de las condiciones sanitarias de la misma e informar también del programa además de repartir los folletos.

Se realizaron encuestas a pobladores para determinar la situación actual en cuanto a acceso al agua potable o características del agua utilizada y salud de los mismos.

En la ciudad de Concepción se llevó a cabo una nota televisiva para el canal TV NOA, en la cual se comentaron las actividades a realizarse en las zonas mencionadas.

También se visitó al delegado del gremio de la Unión Argentina de los Trabajadores Rurales y Estibadores de la zona por el mismo fin.

En Alpachiri y La Invernada también se entrevistó al médico del centro de salud de la población (CAPS) para reunir información acerca de las condiciones sanitarias de las mismas e informar del programa, además de repartir los folletos (Figura 7).

Se realizaron las mismas encuestas a pobladores de las localidades mencionadas y además en La Cocha, a los cuales también se les repartieron folletos informativos.


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Figura 6. Fotos en la comuna de Los Pereyra

Figura 7. Foto en el centro de salud de Alpachiri

Para obtener datos de la calidad del agua de estas tres localidades, se tomaron muestras en 5 sitios para análisis bacteriológicos y de 2 sitios para análisis de arsénico (Figura 8).

Figura 8. Fotos de toma de muestras de agua


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Resultados de la campaña en Tucumán

Se obtuvieron resultados muy auspiciosos en cuanto a la aceptación del programa “Agua Pura”, la colaboración para la difusión y la posibilidad de futura aplicación de las tecnologías tanto por los representantes políticos visitados y como por los agentes de salud.

Los agentes de salud nos informaron que generalmente en verano se producen los mayores casos de diarreas y parásitos debido a las altas temperaturas de la zona y a la contaminación del agua de los pozos con materia fecal de los pozos sépticos. En Los Pereyra hay casos de personas con manchas en manos, cara y dientes debidas a la alta concentración de arsénico en las aguas (el valor promedio de As en la capa freática de la región es de 122 µg L-1).

Los resultados de los análisis microbiológicos de aguas, realizados por el método de Membrana Filtrante, se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Análisis bacteriológico de las muestras de agua tomadas en la campaña en Tucumán.

BACTERIAS (UFC/100mL)

MUESTRAS

Coliformes

totales

Coliformes fecales

Enterococus faecalis

Pseudomonas aeruginosa

CAPS de Alpachiri 15 2 6 0

Arroyo Alpachiri 1,2×102 18 1,3×102 0

Arroyo Alpachiri 2,7×107 1,8×103 1,7×104 0

Arroyo La Florida-Invernada 30 0 12 0

Arroyo Los Pizarros-La Cocha 1,2×103 8 2,1×102 0

(CAPS): Centro de atención de primeros auxilios; UFC: unidades formadoras de colonias.

Según el CAA, para agua potable todos los microorganismos deben estar en una concentración nula (0 UFC/100 mL). De la Tabla 1, se observa que, en todos los casos, la cantidad de bacterias por 100 mL de agua se encuentra excedida.

Con la colaboración de la Dra. Silvia Farías, se realizaron en la Unidad de Actividad Química de la CNEA los análisis de arsénico de algunas muestras de aguas de la zona. Se usó el método ICP-AES (Tabla 2).

Tabla 2. Análisis de arsénico de las muestras de agua tomadas en la campaña en Tucumán.


393

Localidad Contenido de As (µg L-1)

Alpachiri 24

Los Pizarro 39

Como se puede ver, los valores de arsénico en agua en estas zonas están dentro de los parámetros del CAA (50 µg L-1) pero no de la OMS (10µg L-1).

AGRADECIMIENTOS

A la Lic. Silvana Puglisi, Lic. Cecilia Marino y Lic. Manuel Lencina (representantes de FUNDATRE) por su colaboración en la campaña realizada en Tucumán y en la producción de los folletos arriba mencionados.

Al Dr. Carlos Padial por haber colaborado con la producción del folleto de Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico para médicos.

REFERENCIAS



M.I. Litter y H. Mansilla (ed.) (2003): Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-1-8. Disponible en: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter y A. Jiménez González (ed.) (2004): Avances en tecnologías económicas solares para desinfección, descontaminación y remoción de arsénico en aguas de comunidades rurales de América Latina (métodos FH y RAOS). Proyecto OEA/AE141. Digital Grafic, La Plata 2004. ISBN 987-95081-9-X.

Código Alimentario Argentino (CAA): http://www.anmat.gov.ar/codigoa/CAPITULO_XII(actualiz%2003-04).pdf.

Luciana de la Fuente, María Cecilia Soria, Miguel A. Blesa and Marta I. Litter

395

12

Dissemination activities of the OAS/AE 141 project, “Low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters in rural areas of Latin America”

Luciana de la Fuente1, María C. Soria2, Miguel A. Blesa1,3 y Marta I. Litter1,3




[email protected]

SUMMARY

One of the aspects considered by the OAS/AE 141 Project, “Low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters in rural areas of Latin America” has been establishing mechanisms for its dissemination with an eye on promoting the application of the technologies proposed. To this end, contacts were made with government and non-government organizations, publications were made in books, journals and news reports, and all the information obtained is presented in the website of the Project. On the other hand, brochures were created for teachers and doctors in order to achieve a closer relationship with the population and provide them with information about the problem of diseases caused by contaminated water and offer possible solutions.

In this chapter, all the activities carried out to achieve these goals are summarized. Some of them also involve actions for the other countries that took part in the Project.


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The campaign developed in the province of Tucumán, Argentina to disseminate the SODIS, SORAS and HP technologies is also described.

INTRODUCTION

One of the most important objectives of the Project “Low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters in rural areas of Latin America” has been to undertake through different actions the permanent dissemination of this issue for the application of the technologies proposed. This objective is of the utmost importance if a closer relationship is to be established with the community in general and provide them with information about the problem of diseases caused by contaminated water and offer possible solutions.

In many chapters of this book, similar actions developed by the groups from the other participating countries are described. In this chapter we will refer only to those carried out by our group.

The actions performed were:

− Establishing contacts with government and non-government organizations to disseminate the project.

− Creating and maintaining the website of the project.

− Publishing papers, articles and information in books, journals and newspapers.

− Producing, editing and distributing informative brochures.

− Motivating institutional support.

− Carrying out surveys to assess access to drinking water, characteristics of the water used and health conditions of rural populations.

− Beginning an information and dissemination program about Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism for doctors and teachers for a subsequent dissemination to the general population.

During the development of the project (2002-2006), several dissemination actions were developed, and they culminated in the generation of the products listed below. These actions will not be described in detail here, but information about them can be obtained from the different project reports and from the website.

• Creation of the website of the OAS Project AE 141/2001 (http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/) to maximize diffusion.

• Books published by the project:


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o Advances on economic solar technologies for disinfection, decontamination and removal of arsenic from waters in rural communities of Latin America - OAS Project AE 141.

o Solar disinfection of water in rural communities of Latina America.

o Arsenic removal assisted by solar radiation in rural communities of Latin America

o Prospect of Rural Latin American Communities for the Application of Low-Cost Technologies for Water Potabilization – OAS Project AE 141/2001.

• Articles at broader dissemination levels through the media:

o The newspaper “El Liberal” from Santiago del Estero, Argentina, published an article on this project in December 2004.

o The newspaper “Nuevo Diario” from Santiago del Estero, Argentina published an article about the OAS Project AE 141/2001 on September 12, 2004. It is available at http://www.nuevodiarioweb.com.ar.

o The TV program “Científicos Industria Argentina”, that aired on channel 7, Buenos Aires, Argentina on November 15, 2004 at 20:00 hs, presented a report on the meeting held at CNEA on November 8 and 9 about the use and application of SODIS, SORAS and HP technologies in rural areas of Latin American countries. This program was re-broadcast by Channel (a) on November 18.

o In April 2005, this same TV program “Científicos Industria Argentina”, aired footage filmed at Los Pereyra and at the laboratories of the University of Tucumán and detailed the activities carried out by the OAS/AE/141 Project.

o Newspaper “La Jornada de Morelos”, September 17, 2004, Cuernavaca, Morelos, Mexico.

o Newspaper “Nuevo Diario”, Santiago del Estero, Argentina, November 21, 2004.

o “Low-cost technologies for disinfection and decontamination of water in rural zones of Latin America, an OAS funded project”, M.I. Litter, SETAC Globe, Volume 5 (2) May 2004, p. 8.

o Interview to Drs. Litter and Blesa by journalist Cristina Gozzi. Based on this interview, articles were published on the health supplements of the following newspapers in Argentina:

La Voz del Interior (Córdoba)

La Gaceta (Tucumán)

La Nueva Provincia (Bahía Blanca)


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La Capital (Rosario)

Crónica (Comodoro Rivadavia)

El Pregón (Jujuy)

La Mañana del Sur (Neuquén)

o Article on the newspaper “La Nación”, Argentina, on March 22, 2003, where the activities of the Project are mentioned.

o Participation of the journalist Claudia Mazzeo in the meeting of the IV International Seminar and Workshop on water, environmental health and communications organized by OPS, PNUMA and ARCIS, Santiago de Chile, June 18-19-20, 2003, where this project was promoted.

o Interview with journalists from Telam Agency, Argentina, on March 26, 2002.

o Article on the newspaper “Crónica”, Argentina, on March 31, 2002.

o Interview on the radio program “Universidad Abierta” with reporter Lena Burtin, Radio Premium, 103.5 MHz, Buenos Aires, May 13, 2002.

o The conference “Oxidation catalysis of organic compounds” given by Dr. Miguel A. Blesa in Majorca was reported by the newspaper “Diario de Mallorca” on July 29, 2002.

o The journal Hydra carried an interview with Dr. Litter and Dr. Blesa, which will be coming out soon (2006).

Several scientific articles were also published in influential international publications.

STUDY AREAS

The selection of dissemination areas for the application of the technologies in Argentina was based on the following factors:

1. Existence of significant but scattered population centers that were no connected to drinking water supply networks.

2. Unfavorable socioeconomic conditions that could generate biological contamination in the waters used for human consumption.

3. Verified conditions of high levels of arsenic in waters for human consumption, and references to an epidemiological incidence of RCEHA (Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism), described in Argentina already at the beginning of the 20th century.


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4. Availability of high levels of solar radiation. The records for the 1972-1996 period yield an annual mean value of 149 W m-2, with a maximum average of 271 W m-2 for the month of January of 1977 and a minimum average of 62 W m-2 for the month of May of 1983.

5. Relatively easy access to the sites selected to carry out field tests.

6. Existence of a suitable local scientific-technical infrastructure for a good insertion of the Project, and support from the application authorities.

7. Reports of water contamination presented by inhabitants.

The following sections briefly describe a few areas in the Province of Tucumán where dissemination campaigns have been carried out.

Los Pereyra

It is located 70 km to the east of the city of San Miguel de Tucumán. It is a small rural community with approximately 1,000 inhabitants that mainly develop agricultural and stockbreeding activities (soy, beans, etc.)

The climate of the region is subtropical with a dry season between the months of May and September. The annual mean rainfall is 800 mm/year, and the mean temperature is 66.20 °F.

There are no major surface water courses in the region, so the population resorts to groundwater as supply source. The composition of the phreatic layer contains mainly sodium bicarbonate with very variable concentrations of all major ions. Salinity and total solids contents are also very variable (between 375 and 5,990 mg L-1). pH varies between 6.8 and 8.6, with an average value of 7.8. These waters are mainly oxic, with dissolved oxygen concentrations varying between 0.17 and 8.06 mg L-1. In some wells, nitrate concentrations exceed the limit established by the Argentine Food Code (CAA) (45 mg L-1), with an average value of 100 mg L-1 for the area.

Sanitation conditions of shallow wells are very poor, associated to microbiological contamination, and the levels of As – the highest for the region (85% of the samples collected from the phreatic level are above the CAA threshold and 100% of the samples exceeds the threshold set forth y the WHO) – are linked to a significant incidence of RCEHA.

Deep ground waters in the area are generally of good quality. However, the water from some wells is not suitable for consumption due to the presence of fecal coliforms.

Figure 1 shows a map with the location of the area in the Argentine Republic, and Figure 2 shows a picture of Los Pereyra.


400

Figure 1. Map of Argentina, Province of Tucumán and study area

Figure 2. Picture of Los Pereyra, Tucumán

Alpachiri

It has an approximate population of 3,000 inhabitants and it is located 90 km to the south of the capital city of Tucumán. Its climate is very similar to that of Los Pereyra. The population is mainly indigent. Their income level varies depending on the time of the year, because they depend on lemon and potatoes crops, which last between six weeks and two months approximately. They live mostly in precarious houses made of wood and sheet metal; only a reduced number of houses are built with bricks. Around 50% do not have access to drinking water, and inhabitants resort to wells or rivers in the area to obtain the water they need to drink and wash themselves. During summer months, there is an almost complete lack of water. The liquid that can be obtained is dark and sometimes looks like mud. For this reason, many people get stomachaches or have diarrheas. The problem worsens in summer, when the intake filters at the Los Ahojones spring get obstructed with sediments transported by floods. In this season the lack of water is also evident by the reduced flow of rivers and springs due to the scarcity of rainfall. Therefore, several neighbors consume water from old wells that some of the locals have.


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La Invernada and La Cocha

La Invernada and La Cocha are located at 117 km and 150 km, respectively, to the south of San Miguel de Tucumán. There is no official information about their geographic, climatologic and demographic characteristics, but they are similar to Alpachiri.

ACTIVITIES CARRIED OUT

Creation and maintenance of the website

The website of the Project has been updated permanently (http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/), including translation into the English language, to widen its reach. This has resulted in an extensive dissemination of the project, with countless questions and information requests received along its five-year duration.

Contacts with professionals, institutions and non-government organizations

To favor the dissemination of the project for the society, aimed at a later application of the technologies in the field, professionals, institutions and organizations related to this issue or that might be interested in collaborating with this objective have been approached. The following groups and professionals contributed with their collaboration:

− Dr. Carlos Padial, RCEHA specialist, Santiago del Estero.

− Work group of the project on hydroarsenicism from the National University of Tucumán. Contact: Arch. Beatriz Garzón.

− Association of Engineers, Technicians and Specialists of Santiago del Estero (AITE). Contact: Eng. Jorge Ragno.

− Civil association for consumer rights (ADEUCO), San Luis. Contact: Jorge Olguín.

− FAO (Rome). Contact: Sasha Koo Oshima, water quality and environment officer.

− Argentine Association of Sanitation Engineering and Environmental Sciences (AIDIS). Contact: Paola A. Azrilevich. Copies of the books edited by the project were sent to this association to be entered in the database of the Virtual Library of Sustainable Development and Environmental Health (SDE PAHO or BVSDE) of the Pan-American Health Organization, of which they are members.

− Action Against Hunger, Haiti. Contact: William Austen Bradbury, responsible for water and sanitation.

− Foundation “Confluencia Sur” (Southern Confluence), Buenos Aires. Contact: Lic. Silvana Puglisi.


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− Eng. Mabel Chambouleyron, Mendoza, Environmental Education Program.

− Daniel Ovejero, Santiago del Estero, Technology Professorate. Manuel Belgrano high school.

− Argentine Foundation of Rural Workers and Stevedores (FUNDATRE). Together with this Foundation, an extensive campaign, described below, was developed.

Counseling activities and other types of dissemination actions

Statement 2056-D06 of the Honorable House of Deputies of the Argentine Nation

Deputy Cristina Álvarez has presented a Resolution Project to the House of Deputies of the Nation requesting the Executive Power to implement and disseminate the program developed by the Chemical Activity Unit of the National Commission of Atomic Energy on low-cost technologies for water disinfection and decontamination in rural regions with scarce hydric and economic resources.

Collaboration work with Dr. Carlos Padial

Taking advantage of the experience of Dr. Carlos Padial in this issue, dissemination brochures were edited aimed at doctors and sanitation workers about the problem of RCEHA (Figure 3). These brochures were also delivered for distribution to the persons in charge of the OAS Project AE/141/2001 in other countries.

Figure 3. Cover of a dissemination brochure about RCEHA aimed at doctors and sanitation workers

Counseling with the School San Francisco de Asís in San Carlos de Costa Rica

Students from the School San Francisco de Asís, San Carlos de Costa Rica have been counseled for their participation in the VII Regional Trade Exhibition of Science, technology and Society in San Carlos and in the XXI National Trade Exhibition of Science and Technology, San José, CR, with the project “Water decontamination by solar energy”, which applied the SODIS technology in their region.


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SORAS treatment program in Latin America

A joint project was designed in collaboration with Dr. Margarita Hidalgo from the National University of Tucumán and Dr. Jochen Bundschuh from the Costa Rican Institute of Electricity for the removal of arsenic by solar oxidation in Latin America. The general objective of this project is comparing the efficiency of the SORAS technology in surface and ground waters with different chemical composition and under different conditions of pH and redox potential in Latin American countries: Argentina, Bolivia, Nicaragua, Costa Rica. The study areas also present different solar radiation intensity.

Counseling with the Program Community Teams for Native Indians of the Ministry of Health

Through the website of the Project, Chemical Eng. Marcelo Gallini, from the Program Community Teams for Native Indians of the Ministry of Health, has contacted us to provide water samples from the provinces of Mendoza and San Juan, with high concentrations of arsenic, to be analyzed and test the method for the solar removal of arsenic for a later application in the area.

Agreement with the University of Massachusetts, Lowell, USA

A collaboration agreement will be established with Prof. John Duffy (contacted by Dr. Litter during the Solar World Congress in 2005) to work on the development of heterogeneous photocatalysis systems inside bottles and to carry out field tests in communities in Peru, followed by a project to market the idea. Prototypes will be built and a strategy will be designed to deliver bottles to those who need them.

Press articles

Articles containing information about the project and the technologies proposed have been prepared for Argentine broadcast media for publication in time.

Collaboration agreement with FUNDATRE

On December 19, 2005, a cooperation agreement was signed with FUNDATRE and the University of San Martín. To endorse the agreement, a ceremony was performed at the headquarters of the UATRE trade union (Argentine Union of Rural Workers and Stevedores) that counted with the participation of Mr. Roberto Pedro Petrochi, Director of the Post-Graduate School of the National University of San Martín, Dr. Alberto Pochettino, Dr. Marta Litter, Dr. Miguel Blesa, Lic. Cecilia Martino from FUNDATRE, Mr. Rubén Benítez, Secretary for Social Action of UATRE and Mr. Jerónimo Venegas, General Secretary of OSPRERA (health insurance provider for the trade union).

On the other hand, FUNDATRE has published the article ”More RURAL FAMILIES will have SAFE WATER”, referring to this agreement, in the magazine Salud Rural (Rural Health) (Year 3/No. 13/February 2006/ ISSN 1667-8834), which is the official diffusion body of the Health Insurance Provider for Rural Workers and Stevedores of the Argentine Republic (OSPRERA). The article mentions the presentation ceremony and it indicates that the agreement for the implementation of the purpose of the project “Low-cost technologies for the disinfection and decontamination of waters in rural areas of Latin America” is contributing to the improvement of the quality of consumption water, training rural families who do not have access to drinking water in the disinfection and sanitation


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of their consumption water by the simple and low-cost methods developed by the OAS Project.

On the other hand, the program “Pure Water” for rural workers was presented. To this end, explanatory brochures (Figure 4) were edited and distributed at the annual meeting of the UATRE (Argentine Union of Rural Workers and Stevedores) and FUNDATRE in December 2005 and at the Feriagro Trade Exhibition in February 2006.

Figure 4. Front cover of the brochure describing the program “Pure Water”

Joint efforts have been made with FUNDATRE to adapt a survey to assess drinking water quality and quality of life of the inhabitants of Los Pereyra, Alpachiri and La Invernada in the Province of Tucumán, with the production of a banner and a two-page explanatory brochure to distribute in these areas. These activities are described below.

Collaboration agreement with the Foundation Confluencia Sur

In the near future an agreement will be signed with the Foundation Confluencia Sur aimed at achieving the inclusion of the issue “Treatment of waters by solar technologies” in formal education programs.

In collaboration with Confluencia Sur, brochures about RCEHA were edited to inform teachers from all levels about this problem. These brochures were also delivered for distribution to the persons in charge of the OAS Project AE/141/2001 in other countries (Figure 5).


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Figure 5. Front cover of the RCEHA brochure for teachers

Campaign in Tucumán

This campaign was carried out with the support of Dr. Alicia Jordán from the Ministry of Health of the Province of Tucumán, following a program that includes the following aspects:

survey and diagnosis of access to drinking water by the rural population

survey of admissions to health centers due to hydric-related diseases

definition of a plan of action to implement the program

adaptation of the scientific material for didactic purposes and development of a survey at the locations involved

systematic dissemination of the program

official announcement and development of dissemination sessions

official announcement and development of dissemination workshops to facilitate learning and implementation by rural inhabitants

follow-up and assessment of the results.

Eng. Walter Castellano, from the Environmental Sanitation Direction (replacement of Dr. Alicia Jordán, with whom contact had been established initially, and informed about the program to carry out), was interviewed to announce the launch of the program and to ask for his support. He was provided with copies of the books edited by the OAS Project and copies of the brochures and banners produced by FUNDATRE with that same end.


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The community of Los Pereyra was visited (Figure 6) to present the program, explain the low-cost decontamination technologies, distribute explanatory brochures, and request the collaboration of the representatives.

The doctor from the community health center was interviewed to gather information about the sanitation conditions of the community, as well as to provide information about the program and hand in some brochures.

Surveys were carried out with the inhabitants to determine the current situation regarding drinking water accessibility and the characteristics of the water used, as well as their own health.

In the city of Concepción a TV program was done for TV channel NOA where the activities to be developed in these areas were described.

The local delegate of the Argentine Union of Rural Workers and Stevedores was also visited with that same purpose.

The doctors from the community health centers (CAPS) of Alpachiri and La Invernada were also interviewed to gather information about the sanitation conditions of the communities, as well as to provide information about the program and hand in some brochures (Figure 7).

In these two communities, as well as in La Cocha, the same surveys mentioned before were carried out among inhabitants, and explanatory brochures were also distributed among them.

Figure 6. Pictures in the community of Los Pereyra


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Figure 7. Picture at the health center of Alpachiri

To obtain data about water quality in these three communities, samples were taken from 5 sites for bacteriologic analysis and from 2 sites for arsenic analysis (Figure 8).

Figure 8. Pictures of water sampling activities

Results of the campaign in Tucumán

Very auspicious results were obtained as regards the acceptance of the “Pure Water” program, the collaboration with dissemination and the possibility of a future application of the technologies both by political representatives and the health workers visited.

Health agents informed us that during the summer months there is usually an increase in the number of diarrhea and parasites cases due to the elevated temperatures and the contamination of the water from wells with feces from septic wells. In Los Pereyra there are cases of people with spots on their hands, faces and teeth caused by the high concentration of arsenic in waters (the average value of As in the phreatic layer of the region is 122 µg L-1).


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Table 1 shows the results obtained from the microbiological analyses of water samples, carried out by the filtration membrane method.

Table 1. Bacteriologic analysis of the water samples collected during the campaign in Tucumán

BACTERIA (CFU/100mL)

SAMPLES

Total

coliforms

Fecal coliforms

Enterococus faecalis

Pseudomonas aeruginosa

CAPS in Alpachiri 15 2 6 0

Alpachiri Spring 1.2×102 18 1.3×102 0

Alpachiri Spring 2.7×107 1.8×103 1.7×104 0

La Florida-Invernada Spring 30 0 12 0

Los Pizarros-La Cocha Spring 1.2×103 8 2.1×102 0

(CAPS): first aid health center; CFU: colony-forming units.

According to the CAA, the concentration of all microorganisms in drinking water must be null (0 CFU/100 mL). As Table 1 shows, the amount of bacteria per 100 mL of water exceeds this value in all cases.

With the collaboration of Dr. Silvia Farías, arsenic analyses were carried out at the Chemical Activity Unit of CNEA for some of the water samples collected in the area. The ICP-AES method was used (Table 2).

Table 2. Arsenic analysis of the water samples collected during the campaign in Tucumán

Town As content (µg L-1)

Alpachiri 24

Los Pizarro 39

As it can be seen, arsenic contents in water for these areas are within the parameters set forth by the CAA (50 µg L-1), but not within those established by the WHO (10 µg L-1).


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ACKNOWLEDGMENTS

To Lic. Silvana Puglisi, Lic. Cecilia Marino and Lic. Manuel Lencina (representatives from FUNDATRE) for their collaboration during the campaign carried out in Tucumán and for the production of the brochures mentioned above.

To Dr. Carlos Padial for his collaboration in the production of the brochure on Regional Chronic Endemic Hydroarsenicism for doctors.

REFERENCES



M.I. Litter y H. Mansilla (ed.) (2003): Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina. Proyecto OEA/AE141/2001. Digital Grafic, La Plata 2003. ISBN 987-22574-1-8. Disponible en: http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/default.asp.

M.I. Litter y A. Jiménez González (ed.) (2004): Avances en tecnologías económicas solares para desinfección, descontaminación y remoción de arsénico en aguas de comunidades rurales de América Latina (métodos FH y RAOS). Proyecto OEA/AE141. Digital Grafic, La Plata 2004. ISBN 987-95081-9-X.

Código Alimentario Argentino (CAA): http://www.anmat.gov.ar/codigoa/CAPITULO_XII(actualiz%2003-04).pdf.

Impreso en Argentina / Printed in Argentina Noviembre 2006

Editado bajo el auspicio de la Organización de Estados Americanos I.S.B.N. 978-987-22574-4-6

Resultados Finales Del Proyecto OEAAE141(Internet)

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