efecto del cloro sobre las propiedades físicas y químicas

EFECTO DEL CLORO SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
DEL AGUA RESIDUAL
Comett Ambriz Miguel Angel, Orta de Velásquez María Teresa, Monje Ramírez Ignacio*
Instituto de Ingeniería-UNAM, Coyoacán, CP 04510, Ap. 70-472.
En este trabajo se presenta un estudio de la evolución de la calidad del agua residual del Gran Canal (Cd.
México), sometida a un tratamiento primario avanzado, seguido de una desinfección con hipoclorito de sodio (
NaOCl ) a intervalos de tiempo de 5 a 200 minutos. Los cambios fisicoquímicos ocasionados por efecto del
desinfectante fueron estudiados a nivel laboratorio; monitoreando el pH, conductividad, turbiedad, N-NH3, DQO,
COT y cloro residual (libre y combinado). Se aplicaron dosis entre 15 y 120 mg/l a distintos tiempos de
contacto. El pH y la conductividad no fueron afectados por el tratamiento con cloro en el rango manejado. En
el caso de la turbiedad, siendo esta una propiedad de estado, fue necesario evaluar el efecto a intervalos
cortos ( 5, 15, 30, 45, 60, 90, 120 y 150 min ), existe una tendencia de incremento, teniendo como dosis
crítica 30mg/l de 87 a 170 UTN; con dosis mayores el efecto se revierte. La demanda química de oxígeno (
DQO ) a dosis mayores a 30 mg/l, se reduce hasta en un 10%. El COT al igual que el N-NH3 se ven
disminuidos, producto de las reacciones de oxidación en función a la dosis y tiempos de contacto. Por su
parte el Cl2 residual se incrementa (0.5 - 5 mgCl2/l), en base a la dosis aplicada y según el contenido de
materia orgánica presente. Finalmente, el agua residual así tratada cumple con los parámetros establecidos
para su uso en riego agrícola. Sin embargo se deben considerar otros parámetros microbiológicos como es la
posible presencia de Vibrio Cólera.
Palabras clave: cloro, primario avanzado, cloro residual, desinfección, parámetros fisicoquímicos
INTRODUCCIÓN.
Los sitios con mayor desarrollo demandan grandes volúmenes de agua, además de que aportan
contaminantes al descargar sus aguas residuales en cuerpos receptores, y en algunos casos sin tratamiento
alguno. La ciudad de México produce 1700 millones metros cúbicos de aguas residuales por año y es por ello
que los procesos de tratamiento para su descarga y reuso seguro se presentan hoy en día como un reto,
sobre todo cuando las fuentes de abastecimiento de agua potable y usos industriales son cada día más
escasas ( CNA, 1996 ).
En el tratamiento, la etapa de desinfección juega un papel importante especialmente cuando la disposición
final del agua está dirigida a riego de parques recreativos, riego agrícola y otras aplicaciones donde la calidad
del efluente y la seguridad del mismo son un requisito importante para la salud humana. El cloro, en sus
diferentes formas ( Cl2, ClO2 e hipocloritos ), ha sido una de las tecnologías mas utilizadas en los procesos de
tratamiento de las aguas residuales como desinfectante, además de usarse para la remoción de color y olor.
Esto en gran parte se debe a sus propiedades oxidantes, biocidas y principalmente por su bajo costo y fácil
manipulación con respecto a otros productos existentes en el mercado.
Un aspecto importante dentro de los procesos de desinfección, son las reacciones que se llevan a cabo entre
el cloro y los diversos componentes presentes en el agua, lo cual puede dar origen a efectos positivos y/o
negativos sobre la eficiencia de este proceso. Con respecto a los primeros tenemos la formación de
cloraminas que también poseen un poder desinfectante, la oxidación de nitrógeno amoniacal, la remoción de
color y turbiedad, entre otros. En lo referente a los efectos negativos, podemos mencionar que la calidad del
efluente a desinfectar puede influir en la demanda de cloro, el contenido de materia orgánica puede dar origen
a la formación de subproductos no deseables tales como los trihalometanos, los cuales son actualmente
controlados en agua potable de NOM 127- SSA1- 1994. ( Syke, 1958; c. Weber, 1979 ). Es por ello que es
importante considerar dentro del proceso de tratamiento de agua residual un control fisicoquímico del efluente
a desinfectar, con la finalidad de estimar el efecto que puede tener sobre el proceso de desinfección y la
demanda de desinfectante.
En general, la aplicación de cloro además de cumplir con el objetivo de desinfectar el agua, puede modificar
las características físicas y químicas de la misma y por ende la calidad del efluente final. Por lo que el
objetivo de este trabajo consiste en evaluar los efectos del cloro sobre los parámetros fisicoquímicos de un
efluente de Planta Piloto proveniente de tratamiento primario avanzado, utilizando como modelo de estudio el
agua residual del Gran Canal de la Ciudad de México. Adicionalmente el estudio forma parte de un proyecto
donde se evalúa un Proceso Fisicoquímico Avanzado, como una alternativa para el tratamiento y reuso del
agua residual del valle de México.
EXPERIMENTACIÓN
MATERIAL Y MÉTODOS
Efluente primario avanzado
−El efluente primario avanzado fue obtenido a partir de Planta Piloto ( “Ojo de Agua”, Edo. México ) mediante
el tratamiento fisicoquímico con Al2(SO4)3 ( 50 mg/l ) como coagulante y la adición de un polímero aniónico
(0.5 mg/l ) como floculante. En este estudio se utilizó como modelo de estudio el agua residual del Gran
Canal ( km. 27) de la ciudad de México.
Caracterización fisicoquímica
−La caracterización se realizó determinando los siguientes parámetros : pH, turbiedad, conductividad,
demanda química de oxígeno (DQO), carbono orgánico total (COT), y nitrógeno amoniacal (N-NH3) ; el control
se llevó a cabo en agua residual sin tratar (cruda), en el efluente de tratamiento primario antes y después del
tratamiento con hipoclorito de sodio.
Cloración del agua residual
−Este trabajo está basado en la desinfección con hipoclorito de sodio aplicando dosis en un intervalo de
concentraciones de 15 hasta 120 mg/l, manejando tiempos de contacto de 30 a 120 minutos. Las pruebas se
realizaron en vasos de precipitados con un volumen de trabajo de 1 l, después de adicionar el desinfectante se
aplica un mezclado rápido y se deja reposar durante el periodo de reacción establecido. Para todas estas
dosis se determinaron los parámetros fisicoquímicos, así como los residuales de cloro (libre, combinado y
total).
Procedimientos analíticos
−Los parámetros : pH, conductividad, turbiedad, y demanda química de oxígeno, fueron determinados de
acuerdo a los procedimientos descritos en el Standard Methods (APHA, 1992).
−Nitrógeno amoniacal (N-NH3): se determinó por el método de destilación-titulación descrito en el Standard
Methods (APHA, 1992), utilizando un volumen de muestra de 500 ml para el análisis.
−Carbono orgánico total ( COT ): fue determinado en un analizador de carbono ( Beckman Industrial, modelo
915 B), de acuerdo a procedimientos descritos en el Standard Methods (APHA, 1992).
−Residuales de cloro ( libre, combinado y total ): las determinación de cloro residual se llevó a cabo
inmediatamente después de tomar las muestras, utilizando una metodología basada en la técnica
amperométrica descrita en el Standard Methods ( APHA, 1992). La titulación se realizó con un equipo HACH
modelo 19300. El cloro total se determinó a pH 4 con amortiguador de acetatos y el cloro libre a pH 7 con
amortiguador de fosfatos, ambos por reacción con óxido de fenilarsina. El cloro en forma combinada fue
calculado por diferencia.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Características fisicoquímicas del agua residual utilizada en este estudio
Como punto de partida en este trabajo se procedió a determinar las características del agua residual en
estudio, con la finalidad de poder comparar y evaluar los efectos del cloro. A continuación se muestran los
resultados de la caracterización del agua residual cruda y tratada mediante el proceso primario avanzado,
estos valores fuero obtenido a partir de julio de 95 a febrero de 1996 y se presentan como un promedio.
Tabla 1. Caracterización del agua residual “Gran Cana”l antes y después de tratamiento primario
avanzado.
Tipo de Agua
pH
7.8
Conductividad (
mS/cm )
2.6
Turbiedad (
NTU )
238
N-NH3
( mg/l )
25.5
DQO
( mg/l )
354
COT
( mg/l )
135.0
Gran Canal
agua cruda
Efluente
primario avz.
7.5
2.3
184
24.3
339
127.5
Tratamiento del agua residual con hipoclorito de sodio ( NaOCl )
Estudios previos a este estudio realizados por el mismo grupo de trabajo “Tratamiento Fisicoquímico y
Oxidación Química de Persistentes” ( Instituto de Ingeniería-UNAM ), establecieron la dosis de NaOCl para la
desinfección del efluente primario avanzado. Mediante pruebas de laboratorio y tomando como parámetro de
control la remoción de coliformes fecales de acuerdo a los valores establecido por la norma para agua de riego
agrícola (1000 UFC/100 ml ), se aplicaron dosis promedio de 7 a 20 mg Cl2/l ( como cloro activo ) con un
tiempo de contacto de 30 minutos. Los resultados indicaron una dosis mínima de 15 a 20 mg Cl2/l para abatir
el número de coliformes fecales en el orden de magnitud indicado por la norma.
En este trabajo se realizaron nuevamente pruebas de desinfección para confirmar y delimitar la dosis óptima
de desinfectante, así como para investigar los cambios en el agua residual para el rango de concentración
antes mencionado. Bajo las condiciones de tratamiento a nivel laboratorio (ver materiales y métodos ), se
encontró como dosis óptima 17 mg Cl2/l, manteniéndose el efecto de inactivación del hipoclorito de sodio
hasta 60 minutos. De estos resultados se decidió evaluar el efecto del cloro sobre los parámetros
fisicoquímicos de agua con un rango de concentración de hipoclorito de sodio de 15 a 20 mg Cl2/l.
Con estas dosis el pH y la conductividad no se vieron afectados, manteniéndose en un promedio de 7.5 2.7
respectivamente. Los cambios en la turbiedad fueron poco claros al igual que la DQO y el COT, en los tres
casos no se observó una tendencia respecto al agua sin clorar, lo cual puede atribuirse al rango de
desinfectante aplicado. En el caso del nitrógeno amoniacal, aunque los cambios fueron pequeños los valores
tienden a disminuir. En base a estos resultados se decidió evaluar los cambios fisicoquímicos ampliando el
rango de dosis ( 20 a 120 mg Cl2/l ) y siguiendo el desarrollo de la reacción durante un período de 120
minutos. Lo anterior se hizo con la finalidad de apreciar bien los cambios en la propiedades y la calidad del
efluente final, después de ser desinfectada con hipoclorito de sodio.
Cambios en la propiedades del efluente primario aplicando altas dosis de hipoclorito de sodio:
pH y Conductividad
Tanto el pH como la conductividad no se vieron afectados manteniéndose en promedio en 7.5 y 2.3
respectivamente, aún con dosis altas de desinfectante. Esto se debe en la capacidad amortiguadora de este
efluente por una parte, y por la otra, el incremento en la conductividad por la adición de hipoclorito resultan
despreciables.
Turbiedad
Este parámetro es el más afectado en la desinfección del agua residual con hipoclorito de sodio como se
observa en la Fig. 1, no solo en función de la dosis de desinfectante sino además en función del tiempo de
contacto.
170
0 mg/l
20 mg/l
30 mg/l
60 mg/l
120 mg/l
160
TURBIEDAD (NTU)
150
140
130
120
110
100
90
80
70
5
15
30
60
90
140
TIEMPO DE CONTACTO (min)
170
200
Fig. 1. Efecto del desinfectante a distintas
dosis a
diferentes tiempos de contacto sobre la turbiedad del
agua residual.
Existe un aumento apreciable de la turbiedad para todas las dosis de cloro aplicada a este tipo de agua
residual después de los 30 minutos de contacto. La turbiedad no sigue un patrón de incrementos, su
comportamiento depende de la carga orgánica que esté presente en el agua junto con las demás sustancias
que estén reaccionando con el cloro, dando como resultado la dispersión de partículas en suspensión y por
ende incremento en la turbiedad, como apreciamos en la Fig. 1. En este experimento se pueden observar dos
eventos diferentes respecto al efecto del NaOCl en la turbiedad. El primero es que con dosis hasta 30 mg
Cl2/l, se favorece la dispersión de partículas presentes en el agua y pon ende el incremento en los valores de
turbiedad. El segundo evento, se presenta con dosis mayores a los 60 mg Cl2/l ; en este último caso si bien
existen el fenómeno de dispersión, las reacciones de oxidación comienzan a revertir el fenómeno
traduciéndose en una disminución de la turbiedad.
Por otra parte los cambios en la turbiedad a los treinta minutos resultan pequeños lo cual coincide con los
experimentos anteriores donde solo se habían evaluado los cambios a este tiempo de reacción.
Demanda química de oxígeno (DQO)
Este parámetro es una forma indirecta de medir la materia orgánica total presente en el aguas residual,
susceptible oxidarse biológica y químicamente, por lo aplicar un oxidante como el NaOCl debe esperarse una
reducción de este parámetro como se observa en la Fig. 2.
345
DQO (mg/l)
340
335
330
325
0 mg/l
20 mg/l
30 mg/l
60 mg/l
120 mg/l
320
315
310
0
30
60
120
TIEMPO DE CONTACTO (min)
Fig.2. Efecto del desinfectante
química de oxígeno
sobre la demanda
Los cambios en la DQO por efecto del desinfectante, fueron los esperados registrándose una disminución en
función de la dosis y tiempo de reacción. En el mayor de los casos se tiene un disminución del 8% para la
dosis de 120 mg Cl2/l y 120 minutos de reacción. Respecto a las dosis de 20 mg Cl2/l (lo mas cercana a al
valor establecido como óptimo para la desinfección), la disminución solo fue del 4%.
Carbono orgánico total (COT)
Este parámetro al igual que la DQO empieza a presentar cambios después de los 30 minutos de reacción,
disminuyendo hasta un 17% para la mayor dosis de NaOCl, producto de la reacciones de oxidación parcial o
total (hasta CO2) que se llevan a cabo con el cloro. Los resultados se pueden observar en la Fig. 3.
130
COT (mg/l)
125
120
115
110
20 mg/l
30 mg/l
60 mg/l
120 mg/l
105
100
0
30
60
120
TIEMPO DE CONTACTO (min)
Fig. 3. Efecto del cloro sobre el carbono orgánico total.
Nitrógeno amoniacal (N-NH3)
N-NH3 (mg/l)
En el nitrógeno amoniacal se presentan dos tipos de comportamiento ( Fig. 4 ); el primero es que al añadir
dosis pequeñas de desinfectante ( 20 y 30 mg Cl2/l ) se observa una ligera disminución, parte de esta se
atribuye a la reacciones con cloro para formar y probablemente a la remoción como N2. Sin embargo, al
incrementarse la concentración de NaOCl, se tiene un aumento en de 4 unidades respecto al valor inicial.
Una posible explicación podría ser las reacciones de hidrólisis y desnaturalización de compuestos que
aporten nitrógeno amoniacal como el materia proteico presente en el agua.
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
20 mg/l
30 mg/l
60 mg/l
120 mg/l
0
30
60
90
120
TIEMPO (min)
Fig. 4. Efecto del cloro sobre el nitrógeno amoniacal.
Cloro residual:
Este es un parámetro importante de control los procesos de desinfección con cloro sobre todo en agua
potable, donde se establece un valor máximo de 0.5 a 1 mg Cl2/l después de un tiempo de contacto de 30
minutos. En caso de agua residual destinada riego agrícola no se tiene estipulado un valor, sin embargo se
debe asegurar el contenido de coliformes ( 1000 UFC/100 ). En este estudio se monitoreo ambos parámetros
determinando las diferentes formas de cloro residual (libre, combinado y total ) para las diferentes dosis de
desinfectante y un tiempo de contacto de 30 y 60 minutos respectivamente (Fig. 5 y 6).
5
4.5
4
4
3.5
3
3
2.5
Cl2 (mg/l)
Cl2 (mg/l)
3.5
TOTAL
LIBRE
COMBINADO
4.5
TOTAL
LIBRE
COMBINADO
2
1.5
2.5
2
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0
20
25
30
DOSIS (mg/l)
40
60
20
25
30
40
60
DOSIS (mg/l)
Fig. 5. Residuales de cloro a los 30 minutos
de exposición del desinfectante con diferentes
dosis de cloro.
Fig. 6. Residuales de cloro a los 60
minutos de Cloración, con la misma agua
residual.
Para lograr la remosión de coliformes fecales del efluente primario en estudio se estimó la dosis de 20 mg
C2/l, a partir de esta dosis los residuales de cloro libre y combinado empiezan a estar presentes en pequeñas
concentraciones como se muestra en la fig 5 y 6, sin embargoa partir de 40 mg Cl2/l es cuando se presenta
un incremento significativo. esto último depende mucho de la calidad del agua residual que se este tratando.
Los diferentes cambios registrado en los parámetros fisicoquímicos de acuerdo a los resultados obtenidos en
este estudio, también se presentaron con dosis altas de desinfectante ; lo cual coincide con la mayor
concentración de cloro disponible.
En el caso de la desinfección de agua residual con cloro particularmente, es importante tener un control sobre
los residuales de cloro y relacionarlos con los niveles de contaminación biológica ( ejem. CF) de tal manera de
cumpla con la norma. Esto debido a que todo exceso de cloro libre es susceptible a reaccionar con la materia
orgánica, como pudo constatar en los estudios anteriores y convertirse en una fuente potencial de
subproductos de desinfección como los son los triahalometanos, que a pesar de no estar normados, si
pueden ser una fuente de contaminación de aguas subterráneas.
CONCLUSIONES
En este estudio se corroboró a nivel de laboratorio la dosis mínima de NaOCl (17 mg Cl2/l ) para la
desinfección del agua residual del Gran Canal, sometida a tratamiento primario avanzado, que cumple con la
norma actual para riego.
Aplicando dosis hasta de 20 mg Cl2/l y un tiempo de contacto hasta de 120 minutos, las propiedades
fisicoquímica del agua no se ven afectadas de manera significativa manteniéndose así la calidad de la misma
al final del tratamiento.
El pH y la conductividad resultaron ser los parámetros que no experimentan cambios en sus valores aún
aplicando dosis altas de NaOCl ( hasta 120 mg Cl2/l) y períodos largos de reacción.
Respecto a la turbiedad, fue unos de los parámetros que presentó un comportamiento particular sobre todo en
función de la dosis aplicada, observándose una desestabilización de las particular suspendidas presentes en
el agua con dosis de 20 a 30 mg Cl2/l traduciéndose en un incremento en la turbiedad. Por el contrario a dosis
mayores a los 60 mg Cl2/l el fenómeno de dispersión se revierte, producto de la mayor oxidación de la materia
orgánica por el exceso de desinfectante.
Los efectos del cloro sobre la DQO, COT y nitrógeno amoniacal fueron los esperados ; registrándose una
ligera disminución en función de la dosis aplicada y el tiempo de reacción, y al igual que la turbiedad los
cambios mas significativos se presentan a partir de una dosis de 30 mg Cl2/l.
En el caso de los residuales de cloro estos empiezan a aparecer desde los 20 mg Cl2/l en pequeñas
concentraciones y aumentando lentamente con respecto a las dosis. En este caso es importante mencionar
que estos pueden variar considerablemente dependiendo de la calidad del agua que se trata.
En general los resultados de este estudio nos permiten establecer los cambios en los parámetros
fisicoquímicos del efluente tratado con NaOCl, con un amplio rango de dosis de desinfectante y en tiempos
prolongado de reacción. Para la dosis establecida como óptima para la desinfección se asegura no solo la
calidad del efluente en términos del contenido de coliformes fecales, si no que adicionalmente se no se alteran
sus propiedades fisicoquímicas.
Se recamienda considerar en estudios posteriores otros parámetros bacteriológicos como por ejemplo el
Vibrio Cólera.
AGRADECIMIENTOS
- Al I. Capella de la Comisión Nacional del Agua, por el apoyo al proyecto en estudio.
- A la Dra. Blanca Jimenez y su grupo de trabajo “tartamiento y reuso”, por la información proporcinada
acerca de la planta piloto del tratamiento primario avanzado.
- A Gloria Mtz. Valtierra por su valiosa información obtenida en el desarrollo de su tesis de licenciatura,
“Tratamiento fisicoquímico del agua residual mediante nuevos polímeros”.
- A la Dirección General de Asuntos Académicos en apoyo al proyecto No. IN5295.
REFERENCIAS
·APHA, AWWA, WPCF (1992). “ Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” 17 th ed.
·Committee Report, July (1982), Disinfection. Journal of AWWA
·Cooper, William J. October (1982), Comparison of several instrumental methods for determining chlorine
residuals in drinking water. Journal of AWWA.
·HACH Company “ Amperometric titrator model 19300. Instruction Manual”
·Longley, Karl E. Vol 52, No. 8,
WPCF
Comparison of chlorine and chlorine dioxide as disinfectants. Journal
·Sawyer, McCarty, Parkin “ Chemistry for enviromental engineering” . Fourth Edition.
·Series in Water resources and enviromental engineering. Mc Graw Hill.
·Snoeyink, V.L. y Jenkins, D. (1992).“ Química del Agua” , Ed. Limusa.
·Weber W. Jand Posselt H.S. (1982) “ Physicochemical processes for water quality” .
·White, C. Geo. (1994). “ Handbook of chlorination and alternatives disinfection”