Programa Especializado en Tratamiento de Agua Potable INTRODUCCIÓN A LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA PARTE (I) R E AL I Z AD O P O R : I N G . J O S É D AN I E L VI Z C AR R A L L E R E N A CONTENIDO 1. 2. 3. 4. 5. 6. Introducción. Ciclo hidrológico del agua. Balance Hídrico. Calidad del agua. Composición de las aguas Naturales. Tipos de aguas Naturales. Introducción ¿QUÉ ES EL AGUA? • El agua es una necesidad fundamental de la humanidad. • Según Naciones Unidas cada persona en la tierra requiere al menos 20 a 50 litros de agua potable limpia y segura al día para beber, cocinar y simplemente mantenerse limpios. El agua como Fin de vida. ¿QUÉ ES EL AGUA? El agua se encuentra en nuestro planeta en forma líquida, sólida y gaseosa. El total de agua en la Tierra se estima en unos 1.400 millones de km3 , de los cuáles un 3% del total corresponde a agua dulce. La provisión global de agua en la Tierra (invariable desde hace miles de millones de años) está sometida al denominado "Ciclo Hidrológico" que consiste en una serie de cambios de fase, de características físicas, químicas, y microbiológicas, e incluso, de emplazamiento físico (mares, nubes, glaciales, ríos, aguas subterráneas) cuyo último efecto es la "renovación" periódica de la dotación de agua en las grandes acumulaciones de ésta del planeta: océanos, ríos y lagos, atmósfera y litosfera. El motor del "Ciclo Hidrológico" es la radiación solar recibida por la Tierra que provoca la evaporación de agua desde la superficie libre de océanos y mares hasta la atmósfera. ¿QUÉ ES EL AGUA? • El agua es una sustancia de capital importancia para la vida con excepcionales propiedades consecuencia de su composición y estructura. Es una molécula sencilla formada por tres pequeños átomos, uno de oxígeno y dos de hidrógeno, con enlaces polares que permiten establecer puentes de hidrógeno entre moléculas adyacentes. Este enlace tiene una gran importancia porque confiere al agua propiedades que se corresponden con mayor masa molecular. AGUA POTABLE • Llamamos agua potable al agua que podemos consumir o beber sin que exista peligro para nuestra salud. El agua potable no debe contener sustancias o microorganismos que puedan provocar enfermedades o perjudicar nuestra salud. • Por eso, antes de que el agua llegue a nuestras casas, es necesario que sea tratado en una planta potabilizadora. En estos lugares se limpia el agua y se trata hasta que está en condiciones adecuadas para el consumo humano. • Desde las plantas potabilizadoras, el agua es enviada hacia nuestras casas a través de una red de tuberías que llamamos red de abastecimiento o red de distribución de agua. ABASTECIMIENTO DE AGUA • El abastecimiento de agua en los centros laborales reviste gran importancia para la vida, salud, la higiene de los trabajadores y los diferentes procesos industriales. • El grado de pureza que requiere el agua depende del uso al que sea destinado, ya sea para consumo humano, doméstico, Industrial, agrícola, recreativo y/o para la preservación de flora y fauna. ABASTECIMIENTO DE AGUA Para conseguir un sistema de abastecimiento eficaz, son varios los aspectos que habrán de considerarse. • Adecuada Capacidad en la captación y transporte del sistema. • Calidad de acuerdo a la correspondiente reglamentación en los punto de suministro, ligada en gran medida a la calidad de las fuentes y al proceso de tratamiento aplicado. • Integridad de la red que evite fugas y agua no contabilizada. • Adecuada gestión económico-administrativo, que en definitiva, posibilitan el conseguir los puntos anteriores. OBJETIVO PRINCIPAL DEL ABASTESIMIENTO DE AGUA Lograr un agua potable que cumpliendo con los requisitos legales mínimos de calidad exigidos, satisfaga las necesidades de los consumidores tanto en calidad como en cantidad en los diferentes puntos del sistema y en toda época. Ciclo Hidrológico del Agua CICLO DEL AGUA • El ciclo del agua y el balance del agua global son el modelo básico para entender el funcionamiento del sistema hídrico atmosférico movido básicamente por la energía solar, el cual es el enlace vital entre el océano y el continente, mediante la circulación y transformación del agua a través de la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biósfera. CICLO DEL AGUA • Se estima que el volumen total de agua contenido en la hidrósfera es de 1386 millones de Km3. • De este volumen, el 96.5% se encuentra en los océanos como agua salada. • el 3.5% restante como agua dulce proveniente del continente. • De este último porcentaje el 69% se encuentra en forma sólida en los glaciares • el 30% como agua subterránea • 1% que conforma los ríos y los cuerpos de agua. CICLO DEL AGUA • El ciclo hidrológico está gobernado por procesos naturales que ocurren de manera continua. El agua cae sobre la superficie terrestre en forma líquida o solida (nieve, granizo, etc), parte de la cual puede ser evaporada antes de tocar la superficie terrestre. • Aquella fracción que alcanza la vegetación es parcialmente retenida por las hojas de las plantas (intercepción). • De allí una parte es evaporada nuevamente hacia la atmósfera, en tanto que la fracción restante cae hacia el suelo, donde puede infiltrarse o escurrir por las laderas, siguiendo la dirección de las mayores pendientes del terreno. Balance Hídrico BALANCE HÍDRICO • El balance hídrico se basa en la ley física universal de conservación de masas. Representa una de las herramientas de mayor uso en la práctica hidrológica para el estudio de la variación espacial y temporal de los elementos constitutivos del ciclo hidrológico; expresa la igualdad existente entre los aportes de agua que entran por un lado en una unidad hidrogeográfica determinada y la cantidad de agua que es evacuada por el otro, considerando además las variaciones internas en el almacenamiento de humedad ocurridas durante el período de tiempo determinado. • Los balances hídricos, tanto globales como regionales y locales, permiten determinar la disponibilidad hídrica natural de las áreas en consideración y conocer el comportamiento de la oferta del agua, tanto superficial como subterránea, a través de estudios de las diferentes fases del ciclo hidrológico. BALANCE HÍDRICO • La concentración y crecimiento de la demanda del agua en zonas donde la oferta es limitada, la deforestación, el aprovechamiento y el uso indiscriminado y no planificado de los recursos naturales, alteran seriamente el ciclo hidrológico y los componentes del balance hídrico y modifican la disponibilidad del agua, tanto en términos de cantidad como de calidad. • La alteración de los procesos que incluyen la sedimentación de los cauces y la agudización de los periodos de sequía e inundación pueden causar efectos catastróficos sobre las actividades humanas y socioeconómicas. Calidad del Agua CALIDAD DEL AGUA • La calidad de las aguas es una variable descriptora fundamental del medio hídrico, tanto desde el punto de vista de su caracterización ambiental, como desde la perspectiva de la planificación y gestión hidrológica, ya que delimita la aptitud del agua para mantener los ecosistemas y atender las diferentes demandas. • La calidad de las aguas puede verse modificada tanto por causas naturales como por factores externos. Cuando los factores externos que degradan la calidad natural del agua son ajenos al ciclo hidrológico, se habla de contaminación. La prevención, control y resolución de los problemas derivados de la contaminación de las aguas constituye uno de los objetivos que deben plantearse en cualquier política avanzada de gestión de recursos hídricos. CALIDAD DEL AGUA • En esencia se realiza el tratamiento con el objeto fundamental de mejorar la calidad física, química y bacteriológica del agua proveniente de las obras de toma, a fin de entregarla al consumo, apta, inocua y aprovechable para el hombre, animales, agricultura e industrias y cuyo tratamiento debe incidir en los siguiente aspectos básicos: • Higiene: eliminar o reducir del agua las bacterias, protozoos, quistes, parásitos y en especial aquellos que son patológicos para el hombre. Reducir la excesiva mineralización o materias orgánicas que pueden originar trastornos fisiológicos de diferente orden y agregar substancias que aminores o reducen el desarrollo de ciertos trastornos orgánicos propios de los consumidores. • Estético: hay factores físicos característicos de las aguas tales como color, olor, turbiedad y sabor, que son los que mas impresiona al público consumidor, y aunque no constituyen un problema que afecte la salud pública, deben reducirse su concentración para que el público no las rechace. • Económico: el efecto corrosivo o incrustante del agua hace que las cañerías tengan menor vida útil. CONTAMINACIÓN DEL AGUA COMPONENTES O IMPUREZAS A ELIMINAR EN EL AGUA POTABLE Tipo de contaminante Operación Unitaria Sólidos gruesos Desbaste Partículas coloidales Coagulación-Floculacióndecantación Sólidos en Suspensión Filtración Materia Orgánica Afino con carbón activado Amoniaco Cloración Germenes Patógenos Desinfección Metales no deseados Precipitación por Oxidación Sólidos disueltos Osmosis Inversa. PARÁMETROS DE CALIDAD Y NIVELES DE TRATAMIENTO Grado de Tratamiento Composición del tratamiento Descripción Tipo A1 Tratamiento físico simple y desinfección Filtración rápida + desinfección Tipo A2 Tratamiento Físico Normal, tratamiento químico, desinfección Precloración + Coagulaciónfloculacióndecantación + filtración + desinfección Tipo A3 Tratamiento Físico y Químico Intensivo, Afino, desinfección Precloración + coagulacionfloculacióndecantación + filtración + afino con carbón activado + desinfección Composición de las Aguas Naturales COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS NATURALES • La composición del agua natural depende de muchos factores, tales como el tipo de agua (subterránea, marina, atmosférica), de su localización geográfica, de la estación del año que se considere, de la influencia antropogénica, etc. Composición de las aguas naturales Se estudiaran Químicas Físicoquímicas PRINCIPALES ESPECIES QUÍMICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES Gases • Los gases más abundantes son los provenientes de la disolución de gases atmosféricos (CO2, N2 y O2 principalmente), los producidos por la actividad de los seres vivos (CO2 y O2) y los originados por la descomposición, aerobia o anaerobia, de los mismos (CO2, CH4, H2S, N2). PRINCIPALES ESPECIES QUÍMICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES Sustancias inorgánicas • Los iones que se presentan en mayor concentración provienen: • De la disolución y meteorización de los materiales de la corteza terrestre, contándose entre los más abundantes los cationes Ca2+, Na+, Mg2+, K+, Fe2+, etc. (algunos de estos metales pueden estar en forma de especies complejas –compuestos de coordinación- con ligandos naturales orgánicos como ácidos húmicos, o inorgánicos como Cl-, OH-, etc.) y los aniones HCO3-, Cl-, SO42-, PO43-, F-, NO3-. • De iones presentes en el agua de lluvia, como el H3O+ y el HCO3-. • De los procesos de descomposición de los seres vivos: SO42-, PO43-, NO3-, NH4+, CH3COO-. PRINCIPALES ESPECIES QUÍMICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES PRINCIPALES SUSTANCIAS ORGÁNICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES • Deben destacarse las especies provenientes de seres vivos, tales como aminoácidos, hidratos de carbono, ácidos grasos, alcoholes, terpenos, pigmentos naturales, etc., y en suspensión o estado coloidal las sustancias húmicas y fúlvicas, que constituyen la materia orgánica de los suelos, junto a otras macromoléculas orgánicas de origen natural, como proteínas y polisacáridos. PRINCIPALES SUSTANCIAS ORGÁNICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES • Los compuestos orgánicos presentes en las aguas naturales provienen de los procesos metabólicos llevados a cabo por organismos autótrofos. Estos organismos sintetizan estos compuestos a partir de especies inorgánicas sencillas. Así mismo, la descomposición de la biomasa genera compuestos orgánicos. Como resultado de todo ello, se incorporan al agua una variada gama de compuestos orgánicos, como por ejemplo hidratos de carbono, ácidos carboxílicos, aminoácidos, aminas, polipéptidos, fenoles, ácidos grasos, etc. PRINCIPALES SUSTANCIAS ORGÁNICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES • Los compuestos fenólicos son las sustancias orgánicas comúnmente más abundantes en el medio hídrico. Pueden distinguirse compuestos monoméricos –mono y polihidroxifenólicos, generados como producto de transformaciones metabólicas de compuestos aromáticos y poliméricos, como los taninos y ligninas. Otra fracción importante de materia orgánica disuelta o en estado coloidal corresponde a las sustancias húmicas. Estos compuestos son polielectrolitos, es decir, polímeros con grupos iónicos o ionizables en las cadenas, que contienen fundamentalmente grupos hidroxilo y carboxilo. En realidad, se desconoce cuál es su fórmula química exacta PRINCIPALES SUSTANCIAS ORGÁNICAS PRESENTES EN AGUAS NATURALES • En las aguas naturales la fracción húmica comprende entre el 5 y el 75% de toda la materia orgánica disuelta y proviene, básicamente, de la percolación del agua a través del suelo. La materia húmica causa una degradación de las propiedades organolépticas del agua, dando lugar a una coloración entre amarilla y marrón, cuya intensidad aumenta al aumentar el pH del medio. Los dos componentes principales del humus, fácilmente separables mediante procesos de hidrólisis, son los ácidos húmicos y fúlvicos. Estos componentes se diferencian entre ellos por su composición empírica y en el número de grupos ácido en sus cadenas. Así, los ácidos húmicos, son más ricos en carbono y más pobres en oxígeno que los ácidos fúlvicos, mientras que éstos contienen más grupos ácido que aquellos PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS QUE INFLUYEN EN LA COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS Tipos de Aguas Naturales AGUA ATMOSFÉRICA El agua atmosférica corresponde al agua líquida natural presente en la atmósfera. Esta se concentra, prácticamente toda, en las nubes; el contenido de agua en las nubes es entre mil y cien mil veces mayor que el contenido en los aerosoles atmosféricos (Doménech, 2000). Se caracteriza porque (Orozco et al., 2003): • Llevan en disolución los gases presentes en el aire: CO2, SO2, NO, O2, O3, CH4. • Es un agua muy poco mineralizada (10-100 ppm como valores medios), dependiendo de las zonas marinas o continentales. • Se trata de agua con bajo contenido de sustancias orgánicas provenientes de la oxidación de compuestos orgánicos en general y de algunos hidrocarburos simples, en particular. AGUA ATMOSFÉRICA • Una nube es una solución supersaturada de partículas de agua líquida o sólida en el aire. Normalmente, en las nubes hay una mezcla de partículas sólidas y líquidas. Por término medio, el espacio libre entre partículas en la nube es unas cien veces la dimensión de éstas. El tamaño de las gotas en la nube está comprendido entre 10 y 50 μm. Sin embargo, las gotas terminan por agregarse para generar gotas de lluvia, las cuales poseen un diámetro aproximado de 1000 μm. Con tal tamaño, las gotas precipitan en la superficie terrestre. AGUAS SUPERFICIALES Agua Dulce: • Es el agua, que independientemente de ser o no potable, tiene un contenido de sales tal que no llega a darle sabor. • Como resultado de la purificación por evaporación, todas las formas de precipitación son de agua dulce, lo mismo que lagos, ríos, aguas subterráneas y otras masas que reciben un flujo abundante de agua de lluvia. AGUAS SUPERFICIALES Aguas superficiales de escorrentía (fluviales) • Entre sus características se pueden citar: • Su composición va depender fundamentalmente del tipo de terreno atravesado. • La composición es variable en función del tramo de río considerado: procesos de erosión y disolución. • Los estuarios son zonas especiales con fenómenos de estratificación y coagulación AGUAS SUPERFICIALES Aguas lacustres y embalses Se puede destacar que: • En los que tienen una profundidad importante, superior a 8 metros, se produce una estratificación térmica que lleva a la existencia de dos zonas separadas por el termoclina, en una y otra tienen lugar distintos procesos, lo que origina una composición diferente en cada una de ellas Orozco et al., 2003): • En las zonas superficiales (Epilimnion), se encuentran especies oxidadas como O2, CO2, SO42-, NO3-, Fe(III), Mn(IV). • En las zonas profundas (Hypolimnion), se encuentran especies reducidas como CH4, H2S, NH3, Fe(II), Mn(II). AGUAS SUPERFICIALES Aguas marinas En ellas merece destacarse: • La influencia de los aportes de la atmósfera (a toda la superficie oceánica), de los ríos (zonas costeras), glaciares (regiones polares) y aguas hidrotermales (zonas profundas). • Se produce una estructura en capas como en el caso de los lagos, con composiciones diferentes en cada una de ellas. • Poseen una elevada salinidad (35-45 g/kg), al actuar como depósito de los restantes tipos de aguas, dependiendo su valor esencialmente de la climatología (evaporación) y de la profundidad. • El valor de pH es bastante constante (7.8-8.2), debido al efecto tampón de los pares de sustancias existentes. • El contenido en oxígeno disuelto disminuye con la profundidad. • La materia orgánica es más abundante en las capas superficiales, debido a una mayor actividad del fitoplancton. • La concentración de bionutrientes, compuestos de nitrógeno y fósforo, es muy variable. AGUAS SUPERFICIALES Agua salada o salina • Agua de océanos y mares en su mayoría, que contiene al menos tres por ciento de sales (30 partes por millar). Es el agua que contiene sales en mayor proporción que las aguas normalmente destinadas a usos domésticos, agrícolas o industriales AGUA DURA Y AGUA BLANDA • El agua dura es aquella que contiene minerales, sobre todo carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio, por lo que corta el jabón e impide la formación de espuma. Produce escoria, cuajos u óxidos en calderas y calentadores. En cambio, el agua blanda es aquella casi libre de los minerales que hacen que el jabón precipite y forme incrustaciones, es decir, está casi libre de calcio y magnesio. • En términos de dureza las aguas pueden clasificarse así 0-75 mg/L Blanda 75-150 mg/L Moderadamente dura 150-300 mg/L Dura >300 mg/L Muy dura AGUAS DEL SUBSUELO Como agua del subsuelo se entiende aquélla que se encuentra debajo de la corteza terrestre. Al igual que el agua superficial, la composición química del agua del subsuelo es muy variable, dependiendo de la localización y de la profundidad que se considere. Se pueden distinguir dos tipos de aguas: agua edáfica y agua subterránea, en las que se podría destacar: • Son muy importantes los procesos de intercambio de iones aguasuelo. • Se produce la adsorción de determinados iones metálicos del agua mediante procesos de complejación con materiales arcillosos y sustancias húmicas. • El proceso de filtración efectuado por el terreno produce unas aguas con ausencia de materiales en suspensión y de color. • La mineralización es elevada, por lo que las aguas presentan una fuerte conductividad. • Las condiciones reductoras conducen a la presencia de especies con bajo grado de oxidación: Fe(II), Mn(II), H2S. AGUA EDÁFICA • El agua edáfica se localiza en la zona no saturada del subsuelo, en la cual el agua forma una capa superficial adsorbida sobre la superficie de las partículas sólidas. La composición química del agua edáfica es el resultado de su interacción con las partículas minerales, especialmente a través de intercambio iónico. La presencia de especies en el agua edáfica se debe también a su interacción con el aire del suelo, ya que el agua no llena completamente los poros existentes entre las partículas, sino que comparte el espacio poroso con el aire infiltrado. Los iones más abundantes en el agua edáfica son Cl-, SO42- y Ca2+, los cuales se encuentran a niveles comprendidos entre algunas decenas y varias centenas de ppm. Otros iones no tan abundantes son: Mg2+, H3SiO4-, HCO3-, K+, Na+ y Mn2+. La materia orgánica es mucho menos abundante en el agua edáfica, debido a su descomposición en procesos microbiológicos y en procesos químicos de oxidación que ocurren en el suelo AGUA SUBTERRÁNEA • Esta agua se localiza en la zona saturada del subsuelo, es decir, en la región donde todos los poros están llenos de agua. Esta agua tiene su origen en la infiltración del agua superficial, lo cual hace que varíe su composición química, enriqueciéndose de elementos minerales y empobreciéndose de materia orgánica. Por lo anterior, usualmente el agua subterránea es de gran calidad para el consumo humano. Su elevada mineralización se debe a diversos procesos. Durante la infiltración del agua superficial se van incorporando sales solubles presentes en el suelo como cloruros, nitratos y sulfatos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Además, a causa de la presencia de CO2 en el agua edáfica, se produce la solubilización de carbonatos.
