DESINFECCIÓN: Métodos para la desinfección del agua Freddy Muñoz Tobar Ingeniero Civil, Sanitario M.Sc. in Municipal Water and Infrastructure Profesor cátedra “Tratamiento de Aguas” Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Universidad Central del Ecuador Introducción El agua superficial (ríos, lagos, etc.) es contaminada con microorganismos no-patógenos y patógenos. El agua subterránea se encuentra generalmente no contaminada con microorganismos patógenos, aunque existen excepciones, por ejemplo, cuando ésta tiene influencia de agua superficial o cuando los pozos no son apropiadamente mantenidos o diseñados. Los microorganismos tienen diferentes tamaños: Virus Bacteria Criptosporidium Giardia Protozoarios Algas 0.01 a 0.1 µm 0.1 a 5 µm 3 a 5 µm 6 a 10 µm 10 a 25 µm 5 a 100 µm Introducción (2) Los microorganismos están presentes en el agua: solos colonias adjunto a materia suspendida y coloidal Como consecuencia, los procesos que son capaces de remover materia suspendida y coloidal son también capaces de remover microorganismos. Esto es reflejado en el Surface Water Treatment Rules (SWTR) de los EEUU. http://water.epa.gov/lawsregs/rulesregs/sdwa/swtr/ Las SWTR buscan prevenir las enfermedades hídricas causadas por virus, legionela, y giardia lamblia. Esta enfermedades están presentes en varias concentraciones en la mayoría de las aguas superficiales. La regla requiere que los sistemas de filtración y desinfección de agua de fuentes de agua superficial reduzcan la ocurrencia de niveles de inseguridad de estos microbios. (USEPA) Introducción (3) Tratamiento Remoción logarítmica Giardia Virus Coagulación/sedimentación/filtración rápida por arena 2,5 2,0 Filtración directa 2,0 1,0 Filtración lenta por arena 2,0 2,0 Los microorganismos están presentes en el agua: solos, en colonias, ó adjunto a materia suspendida y coloidal Como consecuencia, los procesos que son capaces de remover materia suspendida y coloidal son también capaces de remover microorganismos. Esto es reflejado en el Surface Water Treatment Rules (SWTR) de los EEUU. http://water.epa.gov/lawsregs/rulesregs/sdwa/swtr/ Introducción (4) Nota I: La coagulación comprende: adición de un coagulante (sales de aluminio o hierro) iones de aluminio y hierro son insolubles y precipitarán partículas suspendidas y coloidales incrementan de tamaño propiedades de sedimentación y filtración son significativamente mejoradas Nota II: La filtración directa comprende: adición de hierro o aluminio filtración rápida en arena Nota III: La “remoción logarítmica" para Giardia y virus por los procesos mencionados no es satisfactoria para alcanzar los valores guías de la SWTR. Introducción (5) SWTR requerida Remoción logarítmica Giardia 3 Virus 4 Criptosporidium 2 Este procedimiento se basa en las normas de los Estados Unidos de Norteamérica (8). La norma exige un mínimo de 99,9% de inactivación o remoción (3 log) de huevos de Giardia lamblia y al menos 99,99% de inactivación o remoción (4 log) de virus. A partir de esta norma, cada Estado debe elaborar sus propios reglamentos que aseguren esos niveles de desinfección ……. consecuentemente, adicional desinfección química es requerida. Introducción (6) Nota IV: Para asegurar que el proceso de tratamiento es apropiadamente diseñado y operado: La turbiedad tiene que ser medida continuamente y ésta no deberá exceder de 0.5 NTU en el 95 % de las mediciones Un mínimo de 0.2 mg/l de residual del desinfectante es requerido a lo largo toda la red de distribución. Nota V: Procesos de membrana: micro y ultra-filtración nano-filtración y osmosis inversa son capaces de remover al menos 3 a 4 unidades logarítmicas. En resumen: La remoción de partículas (materia suspendida y coloidal) combinada con desinfección química es esencial para una adecuada desinfección de agua subterráneas y superficiales. Desinfección primaria y secundaria Desinfección primaria Es comúnmente alcanzada por la combinación de "filtración” y “oxidación química”. Desinfección secundaria o pos-desinfección El propósito es asegurar que un residual del desinfectante esté presente en el agua en la red de distribución con el objeto de controlar el recrecimiento (multiplicación) de microorganismos en la red. Nota I: Un alto porcentaje del agua distribuida es perdida por infiltraciones. Al estar en contacto con el suelo, éste contaminará el agua. La red de distribución será contaminada cuando el suplemento del agua es interrumpido debido a bajas presiones y contraflujo del agua contaminada. Nota II: El residual del desinfectante no es capaz de proteger adecuadamente al agua en contra de este tipo de contaminación, simplemente mejora la situación. Recrecimiento (1) Las bacterias tienden a multiplicarse en la red de distribución. Este recrecimiento puede resultar en: formación de sabor y olor cuando condiciones anaeróbicas son creadas en las paredes de las tuberías actinomicetos usan para vivir la bacteria muerta, y pueden producir sabor y olor también crecimiento de macro-organismos (larvas, crustáceos) debido a la presencia de una cantidad suficiente de bacterias que sirven de alimento presencia de corrosión, la misma que puede ser incrementada debido a condiciones anaeróbicas en las paredes de las tuberías presencia de bio-película en las paredes, la cual ofrece excelentes condiciones para el crecimiento de la bacteria legionela. Recrecimiento (2) Condiciones anaeróbicas pueden ser creadas cuando la materia orgánica biodegradable y amoníaco están presentes….oxidación de amoníaco a nitratos 1 mg de amoníaco requiere 3,6 mg de oxígeno El recrecimiento de las bacterias puede ser controlado por: Asegurando una baja concentración de nutrientes esenciales (ejemplo: materia orgánica biodegradable y amoniaco) Asegurando la presencia de un residual de desinfectante en la red de distribución, aunque esto puede incrementar las quejas de los consumidores…olor y sabor a cloro. Tipos de desinfectantes (1) El cloro es el producto químico mas comúnmente aplicado como desinfectante. Este se encuentra disponible en diferentes formas: Compuesto Forma % de cloro Cloro (Cl2) Licuado 99,99% Hipoclorito de sodio (NaOCl) Sólido 10-15% Polvo blanqueador (CaOCl2) Sólido 25-35% Hipoclorito de calcio (Ca(OCl)2) Sólido 60-70% Nota: El cloro añadido en cualquiera de sus formas será disuelto previamente en agua para formar ácido hipocloroso (HOCl) e ión hipoclorito (OCl-). Tipos de desinfectantes (2) Otros productos químicos aplicados como desinfectantes son: Ozono (O3). Gas producido en sitio de uso Dióxido de cloro (ClO2). Producido en sitio de uso Monocloramina (NH2Cl). Producido por la adición de amoniaco y cloro al agua a ser tratada. Permanganato de potasio (KMnO4). Sólido violeta. Yodo (I2). Sólido. Solamente aplicado para uso doméstico. Ag+ en agua embotellada. Tipos de desinfectantes (3) Desinfectante Poder Estabilidad OCl- Débil Se descompone lentamente HOCl Fuerte Se descompone lentamente NH2Cl Muy débil Muy estable ClO2 Fuerte (Muy) estable O3 Muy fuerte Muy inestable KMnO3 Débil Inestable Nota: Todos los desinfectantes reaccionan con la materia orgánica. Las tasas de reacción dependen de la cantidad de materia orgánica y el poder oxidante. Ejemplo: la monocloramina es un desinfectante débil y éste reacciona difícilmente con la materia orgánica. Cloración (1) La cloración se emplea en la potabilización del agua para destruir patógenos, controlar los problemas de olor, remover hierro y manganeso, y para eliminar nitrógeno amoniacal. Las sustancias con las cuales el cloro reacciona frecuentemente son: Fe, Mn, NO2, H2S, así como con la mayor parte de los compuestos orgánicos presentes. La reacciones con los compuestos inorgánicos generalmente son rápidas, mientras que con los compuesto orgánicos son muy lentas y su grado de desarrollo depende de la cantidad de cloro disponible. La aplicación mas común del cloro es para desinfectar. La tasa de desinfección depende de la concentración y forma en que se encuentre el cloro disponible, el tiempo de contacto, pH, temperatura y otros factores. El ácido hipocloroso es mas eficiente que el ión hipoclorito, por ello el poder del cloro residual disminuye conforme se incrementa el pH. Cloración (2) La acción bactericida del cloro combinado es mucho menor que las del cloro residual libre, particularmente en términos de la velocidad de la reacción. Los principales factores que afectan la eficiencia de la desinfección con cloro son: Tiempo de contacto: Es el tiempo disponible para que el cloro actúe sobre los microorganismos. Este tiempo debe ser como mínimo de 10 a 15 minutos en agua potable, normalmente entre 15 y 30 minutos. Temperatura: La destrucción de microorganismos con cloro es mucho mas rápida a mayor temperatura. pH: Afecta la acción desinfectante del cloro, particularmente la del cloro residual combinado. De forma general, mientras más alcalina sea el agua se requieren mayores dosis para una misma temperatura y tiempo de contacto. Cloración (3) El cloro como oxidante actúa sobre el manganeso, de hecho lo oxida más fuertemente que el oxígeno disuelto, por lo que se usa con frecuencia para eliminar hierro y manganeso. Otra aplicación del cloro como oxidante es la remoción del ácido sulfhídrico de agua subterránea de acuerdo a: H2S + 4Cl2 + H2O H2SO4 + 8HCl Disociación del cloro El cloro disuelto en agua a una temperatura entre 9 y 100°C forma, a valores normales de pH, HOCl y OCl- de acuerdo a las siguientes reacciones: Cl2 + H2O → HOCl + H+ + ClLa reacción se lleva a cabo de manera instantánea. El ácido hipocloroso se ioniza en forma instantánea en ión hidrógeno e ión hipoclorito. HOCl ↔ OCl- + H+ El equilibrio es gobernado por el pH. Por encima de pH 4, Cl2 no existe. El porcentaje de cada uno de los otros compuestos de cloro esta gobernado por el pH. Reacciones entre el cloro y el amoniaco Cuando el cloro es añadido al agua se formará ácido hipocloroso e ión hipoclorito. Estos compuestos son capaces de reaccionar con el amoníaco contenido en el agua formando: HOCl + NH3 → H2O + NH2Cl HOCl + NH2Cl → H2O + NHCl2 HOCl + NHCl2 → H2O + NCl3 (Mono-cloraminas) (Di-cloraminas) (Tri-cloraminas) ó, para oxidarlo a N2, donde la reacción que ocurre depende de: relación [Cl2] : [NH4+] contenido y naturaleza de la materia orgánica Para simplificar y hacer estas reacciones entendibles, tres parámetros nuevos debes ser considerados: Reacciones entre el cloro y el amoniaco (2) Cloro libre = suma de HOCl y OClCloro combinado = suma de mono, di, y tricloraminas Cloro total = suma del cloro libre y combinado La conversión puede ser derivada de: Cl2 + H2O → HOCl + H+ + ClHOCl ↔ OCl- + H+ Para el cloro combinado, otras ecuaciones de reacción con amoníaco deben ser considerados. Tres pasos son identificados en las reacciones entre el cloro y el amoníaco: Reacción 1. Esta reacción es rápida. 1 mg NH4+ requiere 4 mg Cl2: 2NH4+ + 2Cl2 → 2NH2Cl + 4 H+ + 2Cl- Reacciones entre el cloro y el amoniaco (3) Reacción 2. Esta reacción ocurrirá cuando mas de 4 mg de Cl2 es añadido por cada mg de NH4+. La dicloramina formada no es estable y se descompondrá. Esta reacción es lenta. 2NH2Cl + 2 Cl2 → 2NHCl2 + 2H+ +2 Cl- Reacción 3. El Cl2 formado reaccionará con el remanente NH4+. 2NHCl2 → N2 + Cl2 + 8H+ + 6ClLa reacción general es: 2NH4+ + 2Cl2 → 2NH2Cl + 4H+ + 2Cl2NH2Cl + 2Cl2 → 2NHCl2 + 2H+ + 2 Cl2NHCl2 → N2 + Cl2 + 2H+ + 2Cl2NH4+ + 3Cl2 → N2 + 8Cl- + 6Cl- Reacciones entre el cloro y el amoniaco (4) Para completar la reacción….. 6 mg Cl2 per mg NH4+ En la práctica, una cantidad mayor de cloro es requerido debido a: Presencia de materia orgánica Baja tasa de la reacción 2 Nota: Algo de NCl3 puede ser formado como una reacción secundaria a valores de pH bajos o exceso de cloro. Este compuesto tiene un sabor mordisqueante. La reacción global es conocida como “Punto de quiebre de la cloración" Curva demanda de cloro (1) La gráfica que observamos se denomina Curva de Demanda de Cloro, y representa la que le ocurre al cloro que se añade a un agua que contiene una cierta cantidad de sustancias inorgánicas reductoras, amoniaco y sustancias orgánicas con las que reacciona. Seguidamente veremos lo que ocurre en cada uno de los sectores de la curva. Curva demanda de cloro (2) El sector 1 se explica por el gasto de cloro atribuible a la oxidación de sustancias inorgánicas. Efectivamente, el cloro que se agrega al agua reacciona rápidamente con las sustancias inorgánicas reducidas, fundamentalmente con los compuestos reducidos de hierro, manganeso y azufre y los nitritos, perdiendo su capacidad germicida. 3Cl2+6SO4Fe<------------>2(SO4)3Fe2+2Cl3Fe Cl2 + SH2 <------------> S + 2 ClH Curva demanda de cloro (3) En el sector 2 se producen dos tipos de reacciones: I) Formación de compuestos orgánicos de cloro, proceso de oxidación en el que el cloro es reducido a cloruro. Se forman así compuestos sin acción desinfectante que en algunos casos comunican al agua olores y/o sabores. (Cl2 + R-H <-----> R-Cl + HCl) Curva demanda de cloro (4) II) Formación de cloraminas , mediante la reacción del cloro con amoniaco y compuestos orgánicos de nitrógeno: NH3 + HOCl <------------> NH2Cl + H2O NH2Cl + HOCl <------------> NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl <------------> NCl3 + H2O R-NH2 + HOCl <------------> R-NHCl + H2O Las cloraminas tienen poder desinfectante. El cloro en este tramo de la curva se determina como CLORO RESIDUAL COMBINADO (CRC). Las cloraminas pueden hidrolizarse por reacciones inversas a las que las producen, constituyendo así una reserva de ácido hipocloroso que puede irse liberando lentamente. Cuando el cloro está en mucha mayor proporción que el amoniaco, puede ocasionar su oxidación total, no dando lugar a la formación de cloro combinado (cloraminas) sino de nitrógeno gaseoso (N2), nitratos (NO3-) y cloruros (Cl-). Curva demanda de cloro (5) En este sector 3 de la curva, y a medida que va aumentando el aporte de ácido hipocloroso, se produce la oxidación completa de los compuestos organoclorados y de las cloraminas que previamente se han formado , produciéndose nitrógeno gaseoso, óxido nitroso (N2O), agua y la reducción del cloro (libre o combinado) a cloruro, por lo que ya no es detectable en el agua como cloro residual combinado (CRC) y éste disminuye hasta un mínimo de la curva que se denomina PUNTO DE RUPTURA o PUNTO DE QUIEBRE. Curva demanda de cloro (6) En el sector 4 se observa como de nuevo comienza a aumentar el cloro residual en el agua y comienza a formarse CLORO RESIDUAL LIBRE (CRL), es decir cloro residual disponible, lo que significa que se han completado las reacciones de oxidación de las sustancias orgánicas y el cloro sobrante, al no tener materias orgánicas con las que combinarse queda libre. Curva demanda de cloro (7) Sin embargo, puede observarse que la curva no llega a alcanzar el eje de abscisas, debido a que queda una parte de materia orgánica clorada que no ha sido totalmente oxidada. Esto ocurre frecuentemente en las aguas naturales y se debe a la presencia de compuestos orgánicos cuya oxidación completa requiere mayor tiempo de contacto con el cloro. Esta oxidación se completará durante el almacenamiento gracias al cloro residual libre que debe quedar en el agua para este propósito y para evitar cualquier contaminación posterior al tratamiento. La cloración del agua no debe hacerse hasta alcanzar el punto de ruptura sino que es necesario añadir más cloro para que siempre contenga una cierta cantidad de CRL. Esta cantidad de cloro residual que tiene que quedar en el agua dependerá del pH del agua.
