1.3: Desinfección

Resultados de aprendizaje de los estudiantes

Después de leer este capítulo, deberías poder:

• Enumerar los diversos tipos de desinfectantes
• Explicar el proceso de desinfección
• Describir los conceptos de cloración y nitrificación de punto de interrupción

A menudo se piensa en la desinfección como tratamiento de agua potable. Sin embargo, es más un proceso de acondicionamiento y prevención. El proceso de desinfección está diseñado para inactivar organismos patógenos en el agua con oxidantes químicos o agentes equivalentes. Esto simplemente significa la destrucción (matanza) de microorganismos, lo que representa una amenaza para la salud pública. Por el contrario, el tratamiento del agua potable suele implicar la eliminación de contaminantes. Otro término que a veces se confunde con la desinfección es la esterilización. La esterilización es la destrucción de todos los organismos y no solo de los patógenos. Si bien la esterilización puede resultar en proporcionar agua potable segura, no es un proceso necesario y resultaría en costos más altos.

Para la desinfección química del agua se pueden utilizar los siguientes productos químicos:

• Cloro—Cl ₂
• Dióxido de cloro—ciclo ₂
• Hipocloritos—OCL-
  • Hipoclorito de Sodio-NaClO
  • Hipoclorito de Calcio—Ca (ClO ₂)
• Ácido tricloroisocianúrico—C ₃ Cl ₃ N ₃ O ₃
• Ozono—O ₃
• Bromo—Br ₂
• Iodeno—I
• Varias bases

Existen otros medios de desinfección además del uso de productos químicos. Nos referiremos a estos como desinfectantes físicos. La siguiente lista se puede utilizar como medio físico para desinfectar el agua:

• Luz ultravioleta: los rayos UV deben entrar en contacto con cada organismo para proporcionar desinfección
• Calor: hervir el agua durante aproximadamente cinco (5) minutos suele ser suficiente para destruir esencialmente todos los microorganismos en el agua
• Ondas ultrasónicas: las ondas sónicas destruyen microorganismos por vibración

Desinfectantes químicos distintos de los compuestos a base de cloro

Cuatro (4) desinfectantes no basados en cloro se enumeraron anteriormente y si bien los pueden proporcionar un medio para desinfectar y matar microorganismos en el agua potable, existen inconvenientes en cada uno de ellos

• Yodo—Usar yodo como desinfectante en el agua potable puede ser efectivo, pero tiene un costo relativamente alto. Además, el yodo tiene potenciales efectos secundarios fisiológicos graves, especialmente en mujeres embarazadas
• Bromo—Hay problemas de seguridad y dificultades para manejar el bromo. El contacto directo con la piel puede provocar quemaduras y los residuos son difíciles de mantener. El bromo se usa comúnmente es spas y piscinas.
• Ozono—El ozono se usa comúnmente en plantas de tratamiento de agua potable y reduce los malos sabores y olores. El ozono no se suele utilizar en los sistemas de distribución es debido a la falta de un residuo, altos costos y requisitos de mantenimiento.
• Bases: dos de las bases más comunes incluyen cal e hidróxido de sodio. Dejan un sabor amargo y también pueden quemar la piel.

Desinfectantes clorados y clorados

La desinfección con cloro y compuestos clorados da como resultado un desinfectante residual de cloro libre o cloro total. El cloro libre es la cantidad de cloro “libre” y disponible para realizar el proceso de desinfección. Como el cloro se combina con compuestos relacionados con el nitrógeno (como describiremos con más detalle con la cloraminación) se produce un residuo de cloro combinado. Este cloro combinado, junto con cualquier cloro libre disponible, constituye un residuo total de cloro.

Gas Cloro

El cloro es el desinfectante más común utilizado en el agua potable. Está en forma de gas, proporciona un residuo de relativamente larga duración, y tiende a bajar el pH del agua. El gas cloro es de color amarillo verdoso y tiene un alto coeficiente de expansión. Por lo tanto, los cilindros de cloro no deben llenarse más del ochenta y cinco (85) por ciento. Los cilindros de cloro vienen en tamaños de cien (100), ciento cincuenta (150) y una (1) tonelada. Solo se pueden retirar cuarenta (40) libras por día de los cilindros de menor tamaño a menos que estén equipados con un evaporador. Los cilindros están equipados con un tapón fusible, que está diseñado para fundirse a temperaturas entre 158F y 156F para evitar que el cilindro se queme. Los cilindros de una tonelada tienen seis (6) tapones fusibles y dos (2) válvulas para extraer el cloro. El gas cloro es 2.5 veces más pesado que el aire y la ventilación en las habitaciones con cloro debe cerrarse al piso. Comúnmente, los respiraderos están a doce (12) pulgadas por encima del piso. Las fugas se pueden detectar agitando un trapo empapado de amoníaco, lo que crea una nube blanca. El gas cloro tiene un nivel inmediatamente peligroso para la vida y la salud (IDLH) de 10 ppm. El cloro se puede combinar con los orgánicos en el agua potable creado subproductos de desinfección halogenados.

Hipocloritos de Sodio y Calcio

El hipoclorito de sodio viene en forma de líquido y la concentración de cloro es comúnmente doce y medio (12.5) por ciento. El hipoclorito de calcio viene en forma de un sólido en forma de gránulos o tabletas y normalmente es del sesenta y cinco (65) por ciento. El hipoclorito de calcio también se conoce como hipoclorito de alta prueba (HTH). Cuando se disuelven en agua los hipocloritos tienden a elevar el pH. Los hipocloritos se pueden combinar con los orgánicos en el agua potable creados subproductos de desinfección halogenados.

Dióxido de cloro

El dióxido de cloro es altamente efectivo para controlar los patógenos transmitidos por el agua y minimizar los subproductos de desinfección. Es un medio eficaz para controlar los problemas de sabor y olor. Puede ser costoso de usar, especialmente en cantidades más pequeñas y puede ser difícil de manejar.

Cloramina

La cloramina es un proceso de desinfección que utiliza cloro y amoníaco juntos. Este proceso de desinfección se conoce como cloraminación y resulta en un residuo de cloro combinado o total. Hay varias razones por las que se usa cloraminación en lugar de cloro solo. Las cloraminas se producen bajo tres procesos diferentes: pre-amoniación con post-cloración, precloración con post-amoniación, o adición concurrente de cloro y amoníaco. La adición simultánea produce los subproductos de desinfección más bajos y la precloración produce los niveles más altos de subproductos de desinfección.

Desinfección Física

Si bien los desinfectantes químicos y el cloro proporcionan específicamente la mayor parte de la desinfección en los sistemas de agua potable, existen varios otros medios para desinfectar el agua sin usar productos químicos. Estos se conocen como medios físicos de desinfección e incluyen:

• Rayos ultravioletas—rayos de luz ultravioleta (UV) e inactivan microorganismos. No obstante, la luz debe entrar en contacto directo con cada organismo para poder inactivarse. Por lo tanto, no es un proceso suficiente en los sistemas de agua potable. Los sistemas UV se utilizan comúnmente con acuarios de peces.
• Calor-hervir el agua es un proceso eficiente para destruir microorganismos en el agua. Las órdenes de “Hervir agua” a menudo se implementan cada vez que hay un problema con un sistema de agua potable. El agua hirviendo requiere calor y tiempo. Típicamente se tarda aproximadamente cinco (5) de ebullición para destruir todos los microorganismos.
• Ondas ultrasónicas: las ondas sonoras generan burbujas de cavitación en los líquidos, lo que resulta en intensas fuerzas de cizallamiento

Factores que influyen en la desinfección

Dependiendo del proceso de desinfección, ya sea físico o químico, hay cosas que afectan la efectividad. Por ejemplo, la luz UV debe entrar en contacto directo con los organismos para funcionar. Analizaremos seis (6) variables que influyen en el proceso de desinfección.

El pH del agua juega un papel fundamental en la efectividad de la desinfección, especialmente cuando se usa cloro o compuestos relacionados con el cloro. Al usar cloro libre con agua, se forman hipocloros y ácidos clorhídrico. En soluciones diluidas con un pH superior a 4, la formación de ácido hipocloroso es más completa y deja poco cloro en la solución. Sin embargo, el ácido hipoclórico es un ácido débil y poco disociado a niveles de pH por debajo de 6. Cuanto mayor sea el pH, mayor porcentaje de ion hipoclorito existe. El ácido hipoclórico tiene un mayor potencial de desinfección que el ion hipoclorito. Por lo tanto, el pH juega un papel importante con la desinfección. A un pH de aproximadamente 7.2, el 60% del cloro disuelto existe como ácido hipocolro. A un pH de 8.5, aproximadamente 90% del cloro disuelto existe como iones hipoclorito. Por lo tanto, el cloro como desinfectante es más eficiente a niveles de pH alrededor de 7.

La temperatura también influye en la desinfección. Cuanto mayor sea la temperatura, más eficientemente se puede desinfectar el agua. A temperaturas más bajas, se requieren tiempos de contacto más largos. Agregar grandes cantidades de cloro puede acelerar el proceso de desinfección. Una desventaja importante de las aguas más cálidas expuestas a la atmósfera es el aumento de la tasa de disipación de cloro en la atmósfera.

La excesiva turbidez en los suministros de agua reducirá en gran medida la eficiencia del proceso de desinfección. Cualquier sólido suspendido presente en el suministro de agua puede proteger a los microorganismos del desinfectante. Además, algunos tipos de sólidos suspendidos pueden crear un incremento en la demanda de cloro, esto da como resultado menos cloro disponible para reaccionar con patógenos.

Si parte de la turbidez o si otras sustancias en el agua están en forma de compuestos orgánicos, los desinfectantes de cloro se reducen considerablemente. Además, se pueden formar subproductos no deseados, incluyendo trihalometanos y ácidos haloacéticos. El efecto general es una reducción en el producto químico general disponible para la desinfección.

Varios otros agentes reductores no orgánicos también pueden afectar el proceso de desinfección. La demanda de cloro para todos los agentes reductores debe satisfacerse antes de que el cloro esté disponible para la desinfección. Los agentes reductores inorgánicos que impactan en la desinfección con cloro incluyen, pero no se limitan a, sulfuro de hidrógeno, iones ferrosos, iones manganosos e iones nitrito.

Cloraminación vs. Cloración

Ambos químicos son ampliamente utilizados para desinfectar el agua potable. Cada uno tiene sus beneficios e inconvenientes. Como se describió anteriormente, la cloraminación da como resultado cloro residual total y el cloro crea un residuo de cloro libre.

Tanto libre como total son eficientes con microorganismos inactivantes/matadores, incluyendo bacterias heterótrofas de recuento en placa y organismos patógenos. Ambos pueden penetrar la biopelícula y reducir el rebrote coliforme. Si bien el cloro libre es un oxidante más fuerte, las cloraminas proporcionan un residuo de mayor duración.

En la relación correcta entre cloro y amoníaco, se pueden controlar los problemas de sabor y olor. Si el agua contiene compuestos orgánicos, el cloro libre se puede combinar con estos compuestos creando subproductos de desinfección, como trihalometano y compuestos de ácido haloacético. Las cloraminas reducen esta formación de subproductos de desinfección.

Cloración de punto de interrupción

Como inicialmente se agrega cloro al agua, los compuestos reductores se destruyen. Tanto los agentes reductores orgánicos como los inorgánicos contribuyen a esta primera etapa de desinfección. Como resultado, no hay ningún residuo de cloro presente. Entender esto es crítico, pero también es contrario a la intuición. Al agregar cloro no se detecta ningún residuo de cloro. Se debe agregar más cloro continuamente. La siguiente etapa de cloración de punto de ruptura es la formación de clorogánicos y cloraminas. En este punto, comienza a detectarse un residuo. A medida que los clorogánicos y las cloraminas comienzan a destruirse, el residuo comienza a disminuir. Una vez que todos los clororgánicos y cloraminas están completamente destruidos, se alcanza el punto de interrupción y se satisface toda la demanda de cloro. En este punto, cualquier cloro agregado es directamente proporcional al cloro residual medido.

Figura\(\PageIndex{1}\): Imagen de Aliciacdiehl está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

Si se desinfecta con cloraminas, una relación ideal de cloro a amoníaco es 5:1. Esto significa que por cada parte de amoníaco agregado, debe haber cinco partes de cloro. En este punto, se obtiene el mayor residuo total de cloro y se minimizan los problemas de sabor y olor. Las relaciones más bajas de cloro a amoníaco dan como resultado amoníaco libre disponible. Esto crea una fuente potencial de alimento para microorganismos y resulta en una disminución de los residuos desinfectantes. Esto da como resultado una condición denominada nitrificación. Por lo tanto, es importante monitorear los componentes relacionados con el nitrógeno para controlar esta condición. Si aumenta la relación cloro a amoníaco, el residuo desinfectante también disminuye y los compuestos de sabor y olor no deseados aumentan. Si se desea un residuo de cloro libre y no se agrega amoníaco junto con cloro, entonces se necesita agregar cloro continuamente hasta que se alcance el punto de ruptura.

Nitrificación

La nitrificación es un proceso aeróbico en el que las bacterias reducen el amoníaco y el nitrógeno orgánico en nitrito y luego nitrato. El nitrito reduce rápidamente el cloro libre y también puede interferir con la medición de un residuo de cloro libre. Esto da como resultado una pérdida de cloro y amoníaco totales y un aumento en el recuento de bacterias heterótrofas en placa. Las temperaturas más altas y los tiempos de detención más largos en las instalaciones de almacenamiento aumentan el potencial de nitrificación. Los servicios de agua que utilizan la cloraminación como práctica de desinfección, suelen tener un plan de monitoreo de nitrificación. Este plan especificaría y describiría los pasos que tomará la utilidad para monitorear, prevenir y reducir los efectos asociados a la nitrificación. Por ejemplo, el plan especificaría cuándo se requeriría un mayor monitoreo. En él se especificarían los constituyentes, a los que habría que vigilar. También describiría las actividades de mantenimiento dentro del sistema de distribución como un programa proactivo de lavado para ayudar a distribuir el cloro residual y también eliminar el agua estancada. Otro ejemplo sería ciclar adecuadamente el agua dentro de los tanques de almacenamiento para evitar o reducir la estratificación, temperaturas más altas y agua estancada. Los constituyentes monitoreados rutinariamente en sistemas que utilizan cloraminas incluyen amoníaco, cloro total y libre, nitrito y bacterias de recuento de placas heterótrofas. Un enfoque reactivo, que es comúnmente utilizado por las empresas de agua, es un proceso denominado cloración “por lotes”. La cloración por lotes es el proceso de agregar cloro a las instalaciones de almacenamiento de agua cuando los residuos se vuelven demasiado bajos y/o cuando hay compuestos de nitrificación presentes.

Conclusión

Hay una variedad de métodos y químicos, que pueden ser utilizados para desinfectar el agua potable, siendo el cloro y los compuestos relacionados con el cloro los más comunes. El proceso de desinfección es fundamental para garantizar que el agua potable sea segura para beber al eliminar microorganismos patógenos del suministro de agua. Es importante desinfectar los suministros de agua de origen y es importante mantener los residuos de cloro detectables dentro del sistema de distribución. Hay efectos secundarios relacionados con el proceso de desinfección, incluyendo problemas de sabor y olor y la posible formación de subproductos de desinfección no deseados. Por lo tanto, es importante contar con programas de monitoreo adecuados y asegurarse de que se use el desinfectante adecuado.

Preguntas de muestra

1. El IDLH de cloro es ___________.
   1. 5 ppm
   2. 10 ppm
   3. 20 ppm
   4. 100 ppm
2. Un cilindro de cloro de gas de 1,000 toneladas tiene ___________.
   1. 6 válvulas y 2 tapones fusibles
   2. 2 válvulas y 6 tapones fusibles
   3. 4 válvulas y 2 tapones fusibles
   4. 4 tapones fusibles y 2 válvulas
3. Cloro de gas ___________.
   1. Disminuye el pH
   2. Eleva el pH
   3. Mantiene el pH neutro
   4. Ninguna de las anteriores
4. HTH significa ___________.
   1. Hipoclorito de Alta Tolerancia
   2. Hipoclorito Hipoclorato Total
   3. Hipoclorito de Alta Prueba
   4. Hipoclorito Total Alto
5. Después de “punto de ruptura”, ___________.
   1. Todo el cloro agregado es gratis
   2. Todo el cloro agregado se combina
   3. El cloro no es detectable
   4. El cloro es un desinfectante débil
6. Las cloraminas son ___________.
   1. Una combinación de Clorox y amoníaco
   2. Una combinación de aminoácidos y cloro
   3. Una combinación de cloro y amoníaco
   4. Malo porque crean altos niveles de subproductos de desinfección
7. Las fugas de cloro se detectan mejor con ___________.
   1. Un detector de gas de cloro
   2. Un trapo empapado con DPD
   3. Un trapo empapado de amoníaco
   4. Tu nariz
8. Los tapones fusibles están diseñados para fundirse entre ___________.
   1. 155°F y 165°F
   2. 168°F y 175°F
   3. 158°F y 165°F
   4. <150°F
9. Un cilindro de cloro de 150 lb está diseñado para proporcionar 40 ppd de cloro a menos que tenga un (n) ___________.
   1. Evaporador
   2. Chiller
   3. Tapón fusible extra
   4. Nunca podrán entregar más de 40 ppd
10. ¿Cuál de los siguientes no tiene efecto en el proceso de desinfección?
    1. Turbidez
    2. Temperatura
    3. pH
    4. Todos ellos afectan la desinfección