1.2: Química del Agua y Estándares

Objetivos de aprendizaje

Después de leer el capítulo el alumno debe ser capaz de identificar:

• Materia, elementos y compuestos
• Sistemas públicos de agua: comunitarios y no comunitarios
• Estándares primarios y secundarios
• Violaciones de tratamiento de agua
• Problemas matemáticos de volumen

El tratamiento del agua es un proceso complejo que involucra partes que el ojo humano no puede ver. En este capítulo, conocerás los principios científicos básicos relacionados con el tratamiento del agua. También discutiremos los estándares de agua potable en los Estados Unidos y diferentes estándares comunitarios.

Materia, Elementos y Compuestos

Materia

Las partes más pequeñas de un elemento están compuestas por partículas conocidas como átomos. A pesar de que son tan pequeños, los átomos aún conservan las características del elemento. Incluso con los avances tecnológicos, los microscopios siguen siendo incapaces de capturar átomos. Las múltiples disposiciones de los átomos hacen que cada elemento sea único. El átomo cada vez tan pequeño, está compuesto por tres partículas conocidas como protón, neutrón y electrón. Cada partícula está asociada por diferentes cargas.

• Proton-positivo
• Neutrón-sin cargo
• Carga negativa de electrones

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) Carbon by Science Activism está licenciado bajo CC BY 2.0. Figura\(\PageIndex{2}\): (derecha) El átomo de carbono de Alejandro Porto está licenciado bajo CC BY-SA 3.0

La característica definitoria de un átomo es identificada por el protón. El protón, ubicado en el núcleo, tiene un número distintivo. Por ejemplo, el carbono tiene seis protones ubicados en el núcleo. Ningún otro elemento tiene seis protones en el núcleo. El número de protones se representa como el número atómico. El peso atómico es el número de protones y neutrones. El número de protones que existen para un elemento dado es siempre el mismo, pero el número de neutrones puede variar. Cuando hay un número variable de neutrones de un elemento dado, se le conoce como isótopo. Cuando un átomo tiene una diferencia en electrones, se le llama ion. Cuando las cargas del átomo no están equilibradas, se vuelven inestables. Un átomo que tiene más protones que neutrones se llama catión. Un átomo que tiene más electrones que protones se llama anión.

Elementos más comunes en la profesión de tratamiento de agua:

• Aluminio (Al)
• Antimonio (Sb)
• Arsénico (As)
• Bario (Ba)
• Berilio (Be)
• Boro (B)
• Bromo (Br)
• Cadmio (Cd)
• Calcio (Ca)
• Carbono (C)
• Cloro (Cl)
• Cromo (Cr)
• Cobre (Cu)
• Flúor (F)
• Hidrógeno (H)
• Yodo (I)
• Hierro (I)
• Plomo (Pb)
• Magnesio (Mg)
• Manganeso (Mn)
• Mercurio (Mn)
• Níquel (Ni)
• Nitrógeno (N)
• Oxígeno (O)
• Fósforo (P)
• Potasio (K)
• Radio (Ra)
• Selenio (Se)
• Silicio (Si)
• Plata (Ag)
• Sodio (Na)
• Estroncio (Sr)
• Azufre (S)
• Talio (Tl)

Hay elementos que son de forma pura, como el oxígeno. Dado que los elementos son inestables, a menudo se combinan con otros elementos para formar compuestos. El agua (H ₂ O), por ejemplo, es un compuesto. Es una combinación de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Un compuesto es dos o más elementos que se unen entre sí debido a su atracción por cargas inversas. Los elementos combinantes forman una molécula. Cuando dos químicos se mezclan entre sí sin una reacción química se llama mezcla. La diferencia entre una mezcla y un compuesto se une entre sí por una reacción química. Un buen ejemplo de una mezcla es el agua salada. La sal se puede eliminar del agua a través de destilación. La química del agua se cubrirá con mayor detalle en el texto y curso de Calidad del Agua.

Normas de Agua Potable

Los primeros estándares de agua potable creados en Estados Unidos ocurrieron en 1974 y se denominaron Ley de Agua Potable Segura (SDWA). La EPA de Estados Unidos establece Estándares de Agua Potable que todos los Municipios de Agua deben cumplir. Si bien los Estados son capaces de elaborar sus propias Normas, deben cumplir con los requisitos mínimos establecidos por la EPA federal. En California, los estándares de agua potable son mucho más estrictos que los requisitos federales y por lo tanto tienen primacía. A partir de 2014, el grupo regulador estatal responsable del agua potable es la Junta Estatal de Control de Recursos Hídricos. Las revisiones a la ley de agua potable incluyen técnicas de aprobación para plantas de tratamiento, especificar criterios para la filtración de suministros públicos de agua, distinguir diferentes técnicas de tratamiento para aguas superficiales y subterráneas, y prohibir los productos de plomo en los sistemas de agua potable. Hay dos conjuntos de normas de agua potable identificadas como estándares primarios y estándares secundarios. Las Normas Primarias afectan la salud humana y están obligadas con Niveles Máximos de Contaminantes (MCL) El MCL es el nivel seguro oficial en el que un ser humano puede consumir el contaminante dado sin efectos adversos para la salud. Los Estándares Secundarios no afectan la salud humana y se controlan con Metas de Nivel Máximo de Contaminantes (MCLG). Cuando se reporta un contaminante, no existe tal cosa como cero. Los niveles se establecen para proteger la salud humana pero también se establecen en base a la mejor tecnología disponible. A medida que la tecnología mejora, los MCL pueden ser reexaminados. La instrumentación para medir los niveles de contaminantes no siempre es capaz de leer a cero absoluto. Debido a esto, se requiere un nivel de detección para la generación de informes.

Sistemas Públicos de Agua

Existen tres categorías diferentes de sistemas públicos de agua:

• Sistema público de agua comunitario: Un sistema de agua público comunitario tiene 15 o más conexiones de servicio y atiende al menos a 25 o más personas durante todo el año. Estos incluirían municipios, parques de casas móviles, condominios y edificios de departamentos.
• Sistema no transitorio, no comunitario: Un sistema público de agua no transitorio y no comunitario posee su propio sistema y atiende a un promedio de 25 personas durante al menos seis meses. Escuelas, hospitales y edificios de oficinas están incluidos en esta categoría.
• Sistema transitorio, no comunitario: Un sistema de agua público transitorio, no comunitario, posee su propio sistema de agua y atiende a un promedio de 25 personas por día. En esta categoría la gente consume el agua por un corto periodo de tiempo. Esta categoría incluye iglesias, parques, restaurantes y moteles.

Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen de los CDC es de dominio público

Los estándares primarios de agua potable se dividen en cinco categorías. Las categorías incluyen Inorgánicos, Orgánicos, Turbidez, Microbiológicos y Radiológicos.

• Inorgánicos: Metales, Nitrato y Fluoruro
• Orgánicos: Pesticidas, solventes y subproductos desinfectantes (DBP's) —La combinación de cloro y material orgánico natural. Este tema se discutirá con mayor detalle más adelante en el texto.
• Turbidez: La nubosidad del agua. La turbidez tiene la capacidad de proteger el material microbiológico.
• Microbiológico: Pruebas coliformes (Esto se tratará con mayor detalle más adelante en el texto. Los operadores de agua no realizan pruebas para detectar agentes microbiológicos específicos. Probamos para el organismo indicador coliforme. Colonizan en mayor número por lo que si una muestra vuelve positiva hay una mayor probabilidad de contaminación fecal.)
• Radiológico: Alfa, beta y radón brutos

Los estándares secundarios de agua potable se basan únicamente en la calidad estética del agua potable. El enfoque principal de los estándares secundarios es el sabor, el olor y el color. Un vaso de agua que huele a pescado y es de color naranja puede ser “seguro” de beber pero no sería bien recibido o fácilmente consumido. California, así como algunos otros estados, tiene estándares secundarios avalables.

Tabla 2.1: Niveles recomendados para contaminantes y características

Contaminante/característico	Nivel recomendado
Aluminio	0.05 a 0.2 mg/L
Cloruro	250 mg/L
Color	15 unidades de color
Cobre	1 mg/L
Corrosividad	No corrosivo
Fluoruro	2 mg/L
Agentes espumantes	0.5 mg/L
Hierro	0.3 mg/L
Manganeso	0.05 mg/L
Olor	Número de olor de umbral 3
pH	6.5 a 8.5
Plata	0.10 mg/L
Sulfato	250 mg/L
Sólidos disueltos totales	500 mg/L
Zinc	5 mg/L

Fuente: La gráfica de la EPA es de dominio público

Notificación pública

En caso de que una planta de tratamiento no cumpla con los requisitos de la SDWA, se deberá notificar al público. Hay tres niveles diferentes de notificación siendo el nivel I el peor de las violaciones y el nivel III siendo el menos. La EPA proporciona un lenguaje muy específico para las notificaciones públicas en caso de infracción. Violar el cumplimiento de un SDWA ya es bastante malo, pero no informar violaciones trae sanciones y multas aún más duras. En 2014 en Flint Michigan 15 personas fueron acusadas penalmente por su negligencia en la profesión de tratamiento de aguas. Todo comenzó cuando la ciudad de Flint cambió su fuente de agua sin realizar pruebas adecuadas. Los funcionarios sabían que el agua no era segura para beber y se habían hecho numerosas violaciones. El público no fue debidamente informado de estas violaciones que resultaron en 10 muertes y 77 personas más enfermaron gravemente. Es algo que rara vez se discute porque la gente en los países industrializados nunca se preocupa realmente por la calidad de su agua potable. Lo más importante que puedes hacer como operador es decir algo si parece haber un problema con la calidad del agua potable. De lo contrario, puede terminar en la cárcel. Las opciones de notificación incluyen anuncios de radio o televisión, periódicos, entrega en mano, publicación en lugares públicos, altavoces, mensajes de texto y 911 inverso. La notificación variará en función de la gravedad de la infracción.

Violaciones

Nivel I

• Cualquier prueba positiva de coliformes fecales y falla en la muestra después de una prueba positiva inicial
• Violación de Nitrato o Nitrito
• Límite máximo de desinfección residual de dióxido de cloro
• Superar el nivel de turbidez permisible de plantas de tratamiento. Puede ser un nivel II si la agencia de primacía no eleva la violación.
• Emergencia o brote de enfermedades transmitidas por el agua

Nivel II

• MCL, MRDL y, Técnica de Tratamiento (TT) violan si la planta de tratamiento no realiza acciones correctivas para solucionar problemas en la planta de tratamiento o no informa al público.
• Violación de monitoreo de la calidad del agua, no tomar muestras de calidad de agua requeridas. También puede ser una violación de nivel III pero puede elevarse por negligencia grave
• Incumplimiento de una varianza o una exención

Nivel III

• Violación de pruebas de agua y monitoreo
• Cada vez que el sistema de tratamiento se ejecuta bajo una varianza o excepción. La agencia de primacía puede otorgar una varianza o exención a una planta de tratamiento por un corto período de tiempo. La notificación pública es para informar al público que una agencia de agua no está funcionando de acuerdo con una técnica de tratamiento aprobada. No significa que el agua sea insegura para beber, pero los manuales de operación son muy específicos.

Monitoreo de la calidad del agua

El monitoreo continuo del agua potable garantiza la calidad; se está entregando agua potable confiable al público. El número de muestras tomadas, la frecuencia de muestreo, la ubicación del muestreo, los procedimientos de prueba y los requisitos para el mantenimiento de registros están especificados por los requisitos estatales y federales. Si no se cumplen los requisitos de muestreo, puede llevar a una notificación pública. La violación de nivel se basa en el contaminante y si el contaminante causa o no efectos agudos en la salud.

El tipo de monitoreo se basa en la fuente del agua, la técnica de tratamiento y el tamaño del sistema. La presentación de informes y registro se basa en las regulaciones de la agencia de primacía. La normativa estatal debe cumplir con los requisitos federales como mínimo pero puede ser más estricta como es el caso de California.

Conservación de registros

A continuación se muestra una lista de registros que deben conservarse y la cantidad de tiempo que los registros deben conservarse en los archivos.

• Bacteriológica y Turbidad—5 años
• Análisis químico—10 años
• Acciones correctivas por violaciones—3 años
• Encuestas sanitarias—10 años
• Exenciones: 5 años después del vencimiento

Desviaciones y Exenciones

En el caso de que un sistema de agua no pueda cumplir con un MCL debido a la fuente de agua, una agencia de primacía puede otorgar una varianza o exención. La varianza sólo se da cuando la agencia ha incorporado la mejor tecnología disponible y no hay riesgo para la salud pública. En el caso de Flint Michigan, la nueva fuente de agua no se probó adecuadamente antes de ser utilizada en el sistema. La planta de Flint Water no pudo tratar adecuadamente el agua de origen que tenía niveles elevados de plomo y la Ciudad no estaba utilizando la mejor tecnología disponible. Aunque la Ciudad de Flint hubiera solicitado una varianza o exención, no se habría otorgado porque los niveles de plomo en el agua crean un riesgo significativo para la salud pública.

En futuros capítulos del texto, examinaremos regulaciones agregadas a la SDWA. Desde la excepción de la legislación original se han realizado varios cambios y mejoras. Discutiremos con mayor detalle la regla coliforme total, la regla de agua de tratamiento superficial, la regla de tratamiento de aguas superficiales mejoradas a largo plazo 2, la regla de plomo y cobre, la regla de aguas subterráneas y la regla de biproductos desinfectantes de etapa 1 y 2.

Volumen

Los cálculos de volumen serán muy comunes para los operadores de tratamiento de agua. Los operadores utilizan cálculos de volumen para resolver preguntas matemáticas con círculos, triángulos y rectángulos. Si miras alrededor de una instalación de tratamiento de agua, está llena de formas geométricas. Los tanques pueden ser de naturaleza cilíndrica o rectangular. Los estanques de asentamiento pueden tener una naturaleza triangular para ellos. Las preguntas básicas de volumen se involucrarán más adelante en el texto, ya que es posible que primero tenga que resolver una pregunta de volumen y luego resolver una pregunta relacionada con el flujo.

Cilindro	Volumen = 0.785 × D2 × H
Rectángulo	Volumen = L × W × H
Trapezoide	Volumen = × H × L

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál es el volumen de un tanque en cubos que mide 10 pies de alto? (Recuerda que los cubos tienen la misma unidad de longitud en los tres lados. Este es el problema más fácil de resolver.)

Volumen = Largo × Ancho × Alto Volumen (ft ^3) = 10 pies × 10 pies × 10 pies La respuesta es 1,000 ft ^3

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál es el volumen de un tanque rectangular que tiene 20 pies de alto, 10 pies de ancho y 7 pies de largo?

Volumen= Largo × Ancho × Alto Volumen= 7 pies × 10 pies × 20 pies La respuesta es 1,400ft ^3

Hay dos formas diferentes de resolver problemas matemáticos cilíndricos. La fórmula más fácil de usar es volume= .785 d ² H. Esta fórmula es la más fácil porque en matemáticas acuáticas generalmente estamos mirando el diámetro de una forma cilíndrica y no el radio. El radio de un círculo es la mitad del diámetro. Es una línea recta medida desde el centro del círculo hasta el borde del círculo. El diámetro es una línea recta que pasa por el centro del círculo con puntos finales en el círculo.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

¿Cuál es el volumen de un tanque de almacenamiento que mide 40 pies de diámetro y tiene 20 pies de profundidad?

Volumen= .785 × d ^2 × H Volumen= .785 × 40 pies × 40 pies × 20 pies La respuesta es 25,120ft ^3

A menudo, los problemas de palabras matemáticas del agua requerirán múltiples pasos para resolverlos. Por lo general, queremos saber cuántos galones va a contener un tanque dado. Una vez que encontremos el volumen del tanque en pies cúbicos, luego convertiremos los pies cúbicos en galones.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

Convierte la respuesta de Ejemplo\(\PageIndex{3}\) en galones.

25,120 ft³ x 17.48 gal x 1 ft³ = 187,898 gal x 1

Respuesta: 187.898 galones

Ejemplo\(\PageIndex{4}\)

Un tanque de agua rectangular está lleno. Las dimensiones son 30 pies de alto, 12 pies de ancho y una longitud de 10 pies. Convertir a galones.

Volumen= 10 pies x 12 pies x 30 pies Volumen= 3,600ft ^3 3,600 ft³ x 17.48 gal x 1 ft³ = 26,928 gal x 1 Respuesta: 26,928 galones

Ejemplo\(\PageIndex{5}\)

Un tanque de almacenamiento cilíndrico tiene un diámetro de 50 pies y una altura de 30 pies. El tanque está medio lleno. ¿Cuántos galones hay en el tanque?

Volumen= .785 x 50ft x 50ft x 15ft Volumen= 29,437.5 redondeado a 29,438ft ^3 29,438 ft³ x 17.48 gal x 1 ft³ = 220,196 gal x 1 Respuesta: 220,196 galones

Revisión del Capítulo

1. La parte más pequeña de un elemento se conoce como ___________.
   1. Protón
   2. Neutrón
   3. Atom
   4. Núcleo
2. El peso atómico está compuesto por ___________.
   1. Neutrones y electrones
   2. Protones y neutrones
   3. Núcleo y neutrones
   4. Átomo y núcleo
3. Un átomo con carga negativa se conoce como ___________.
   1. Protón
   2. Neutrón
   3. Núcleo
   4. Electron
4. ¿Qué significa el símbolo mg/L?
   1. Microgramos por litro
   2. Miligramos per/l
   3. partes por millón
   4. Ambos 2 y 3
5. ¿Qué significa el acrónimo MCL?
   1. Nivel mínimo de contaminante
   2. Nivel de contaminante micrón
   3. Nivel máximo de contaminante
   4. Miligramos contados por última vez
6. ¿Cuánto tiempo deben conservarse las encuestas sanitarias para los registros?
   1. 3 años
   2. 5 años
   3. 7 años
   4. 10 años
7. La violación más severa del sistema de agua que requiere la notificación pública más rápida es ___________.
   1. Nivel I
   2. Nivel II
   3. Nivel III
   4. Nivel IV
8. El organismo de primacía podrá otorgar una varianza o exención siempre y cuando ___________.
   1. La agencia está utilizando la Mejor Tecnología Disponible
   2. No hay amenaza para la salud pública
   3. Nunca hay un escenario para una variación o exención
   4. Ambos 1 y 2
9. Un sistema público de agua que atiende al menos a 25 personas seis meses al año se conoce como ___________.
   1. No transitoria no comunitaria
   2. Transitorio no comunitario
   3. Sistema público de agua comunitario
   4. Ninguna de las anteriores
10. Los reglamentos basados en la calidad estética del agua potable se conocen como ___________.
    1. Estándares primarios
    2. Estándares Secundarios
    3. Estándares microbiológicos
    4. Estándares radiológicos
11. El límite más bajo reportable para una muestra de agua es ___________.
    1. 0.5 mg/L
    2. Cero
    3. Meta de salud pública
    4. Nivel de detección para informes
12. Los Estándares Primarios se basan en ___________
    1. Color y Sabor
    2. Calidad estética
    3. Salud Pública
    4. Olor
13. Un pozo circular es de 150 pies de diámetro y 40 pies de alto. El Clearwell tiene un desbordamiento a 35 pies. ¿Cuál es la cantidad máxima de agua que el pozo claro puede contener en Millones de galones redondeados a la centésima más cercana?
    1. MG
    2. 4.62 MG
    3. 18.50 MG
    4. 7.50 MG
14. Una cuenca de sedimentación tiene 400 pies de largo, 50 pies de ancho y 15 pies de profundidad. ¿Cuál es el volumen expresado en pies cúbicos?
    1. 100,000 ft³
    2. 200,000 pies³
    3. 300,000 ft³
    4. 400,000 ft³
15. Un pozo claro contiene 314,000 ft³ de agua. Tiene 100 pies de diámetro. ¿Cuál es la altura del pozo claro?
    1. 25 pies
    2. 30 pies
    3. 35 pies
    4. 40 pies