1.9: Cloraminación y Nitrificación

Objetivos de aprendizaje

Después de leer este capítulo deberías poder explicar e identificar los siguientes temas:

• Por qué se ha empleado el tratamiento con cloramina, (indicio) la formación de DBP
• El uso de amoníaco en el tratamiento del agua
• Cloración de punto de interrupción
• Nitrificación

La profesión de tratamiento de aguas está en constante evolución y en continuo movimiento. Los avances en la ciencia y los procedimientos de laboratorio ayudan a los profesionales del agua a encontrar componentes en el agua potable que pueden ser dañinos para los seres humanos. Damos por sentado el hecho de que el agua potable limpia fluirá cuando encendamos el grifo.

Actualmente, el cloro es el mejor desinfectante disponible. Sin embargo, el uso de cloro provoca cualquier número de subproductos desinfectantes (DBPs). Muchos de los DBP no han sido investigados y no son monitoreados regularmente. A medida que mejoran los métodos de cribado, es probable que en el futuro se regulen más de los posibles DBP. Los trihalometanos (THM) son un DBP de desinfección con cloro y se clasifican como químicos orgánicos volátiles. El aumento de los niveles de THM en agua cruda está incrementando el uso de cloramina como desinfectante preferido. En este capítulo, discutiremos la desinfección con cloramina y los desafíos asociados que conlleva su implementación. Nada es fácil en el tratamiento del agua.

¿Por qué usar cloraminas?

Como se discutió, el cloro se ha utilizado con gran efectividad en el tratamiento del agua durante muchos años en Estados Unidos. Sin embargo recientemente, muchas agencias de agua han estado cambiando al tratamiento con cloramina. Ahora aquí está el giro; lo han hecho porque deben, no porque necesariamente quieran. Cuando la materia orgánica natural reacciona con el cloro, puede resultar en la formación de DBPs, específicamente trihalometanos (THM) y ácidos haloacéticos (HAA5). Se cree que se debe evitar la exposición a largo plazo a estos DBP ya que puede conducir al cáncer.

Debido a la implementación de la Regla DBP Etapa 2 en 2012, muchas agencias del agua ya no podrían cumplir con los límites regulatorios establecidos, si continuaban usando cloro como desinfectante primario. Para continuar usando cloro solo, habría que usar una coagulación mejorada pero su efectividad es limitada. La absorción de carbono o GAC también es una solución pero es muy costosa, y por lo tanto no es empleada por instalaciones de tratamiento de agua más grandes. La otra opción es limitar el contacto con el agua y el cloro, pero esto está limitado por la demanda de cloro. La última y más efectiva opción es usar cloraminas.

El tratamiento con cloramina también es efectivo para limitar los problemas de sabor y olor en el agua terminada. Cuando el cloro libre reacciona con el fenol puede causar problemas de sabor y olor. La desinfección con cloramina no es un desinfectante tan fuerte como el cloro libre, el dióxido de cloro u ozono, pero deja el residuo de mayor duración en el agua terminada. Debido a que las cloraminas tienen un poder desinfectante más débil, a menudo se agrega justo antes de que el agua tratada ingrese al pozo transparente para su almacenamiento. Si implementa este método, el operador debe asegurarse de que los niveles de THM sean lo suficientemente bajos como para no violar ninguna normativa. Determinar la forma más efectiva de tratar el agua potable sin dejar de cumplir con el cumplimiento es una tarea compleja y difícil.

Química de la Cloramina

El cloro reacciona con una serie de sustancias en el agua, incluyendo materia orgánica disuelta, materia orgánica particulada, hierro, nitrito, sulfuro y amoníaco. Reacciona quitándoles un electrón. El amoníaco en el suministro de agua es indeseable ya que elimina el Cloro residual que luego requiere la necesidad de usar más Cloro. Lo que hace que el tratamiento con cloramina sea tan efectivo es la rápida formación de cloro con amoníaco (NH ₃). (El amoníaco es un compuesto de Nitrógeno e Hidrógeno.)

\[\ce{Cl2 + NH3 → NH2Cl + HCl}\]

Obsérvese que la monocloramina se expresa como\(\ce{NH2Cl.}\)

El peso unitario de Cloro es 70 y el peso unitario de Nitrógeno es 14. Cuando se emplea tratamiento con cloramina, la relación de cloro a amoníaco siempre será 5:1 porque 5 mg/L de cloro siempre se combinarán con 1.0 mg/L de amoníaco. (70 ÷ 14 = 5) A menudo escuchará monocloraminas denominadas cloro combinado debido a esta reacción.

A continuación se muestra una lista de términos relacionados con la desinfección con cloramina:

• Cloro Libre: Cl ₂ (El cloro libre puede referirse a gaseosos, hipoclorito de sodio o hipoclorito de calcio.) Si usa hipoclorito, recuerde que debe dosificar el agua para lograr el 100 por ciento de cloro libre.
• Monocloramina: NH ₂ Cl o cloro combinado. Cloramina con menos problemas de sabor y olor.
• Amoníaco libre: NH ₃ El amoníaco se mide como nitrógeno
• Cloro: Relación amoniaco: Cloro total a nitrógeno amoniacal total. Siempre apuntarás a una proporción 5:1 para evitar el exceso de cloro libre o nitrógeno libre en el suministro de agua.

Cloración de punto de interrupción

La curva de cloración de punto de interrupción es la representación visual de la capacidad del cloro para reaccionar con una variedad de compuestos para formar un residuo de cloro combinado o para reaccionar completamente con compuestos para formar un residuo de cloro libre. Al usar cloro libre disponible como desinfectante queremos mantenernos fuera de la curva combinada. Algunas agencias de agua compran agua importada que tiene un residuo combinado. Para tratar el agua de manera más efectiva o eliminar la posibilidad de nitrificación, algunas de estas agencias agregan cloro para “romper” a un residuo de cloro libre. Discutiremos la Nitrificación con mayor detalle más adelante en este capítulo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Curva de cloración de punto de ruptura. Esta curva representa la capacidad del cloro para tener un residuo combinado o un residuo libre. La imagen del Departamento de Premier y Gabinete de NSW está licenciada bajo CC BY 4.0

Un problema común con el que se encuentran los operadores cuando usan cloro combinado es “romper” para liberar cloro al diagnosticar erróneamente los problemas en la planta de tratamiento. Por ejemplo, un operador está mirando una pantalla de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA). (SCADA es el sistema informático que monitorea y controla la planta). En aras de la facilidad, llamaremos a este operador #1. Él o ella nota que el efluente de cloro residual está empezando a caer. El Operador #1 no estaba al tanto de que el operador anterior (Operador #2) había elevado la dosis de cloro unas horas antes. Con la dosis de cloro añadida, el cloro residual estaba “bajando” a medida que se acercaba a romperse. Si el operador #1 entra en pánico y vuelve a subir la dosis de cloro, el cloro residual combinado disminuirá aún más.

Lo importante a recordar es que hay muchas cosas a tener en cuenta si tu dosis de cloro está bajando. Muy bien puede ser un problema con tu alimentación de cloro, pero hay muchas otras opciones a considerar. Si revisa su sistema de alimentación de cloro y todo funciona normalmente, es posible que tenga un problema con el sistema de alimentación de amoníaco. Muchas instalaciones modernas de tratamiento de agua tienen cálculos integrados en el sistema SCADA que facilitan la dosificación de cloramina. Asegúrate de ir a la pantalla con la relación cloro: amoniaco: para asegurarte de que está configurado correctamente.

Por último, el cloro libre es siempre el desinfectante preferido ya que es 25 veces más fuerte que las cloraminas. Sin embargo, las cloraminas duran mucho más tiempo en el sistema de distribución. Existen varios factores que pueden llevar a una disminución del cloro residual. Es posible un incremento en el crecimiento biológico, pero deberías ver otros signos como un incremento en la turbidez. El problema más común en el tratamiento con cloramina con un residuo de cloro decreciente es el error del operador o un problema con el proceso de tratamiento del agua.

Nitrificación

La nitrificación es un proceso en el que las bacterias reducen el amoníaco y el nitrógeno orgánico en el agua tratada en nitrato y luego nitrito. Esta condición suele ocurrir durante los meses de verano cuando las temperaturas del agua son más altas. También puede ocurrir durante la rotación inadecuada de los reservorios, cuando hay altos niveles de amoníaco, y en ambientes oscuros, una condición típica para la mayoría de los reservorios de agua.

Esta condición es uno de los inconvenientes del tratamiento con cloramina. Nitrato y Nitrito son sustancias químicas inorgánicas reguladas por los estándares de agua potable primaria. El MCL (Nivel Máximo de Contaminar) para Nitrato es de 10 ppm y el MCL para Nitrito es de 1 ppm. Los altos niveles de nitrato y nitrito en el agua potable pueden provocar metahemoglobinemia también conocida como “síndrome del bebé azul”. Este padecimiento afecta a infantes menores de seis meses de edad que consumen agua contaminada con nitratos y nitritos. La sangre del bebé no es capaz de transportar suficiente oxígeno a las células sanguíneas y tejidos dentro de su cuerpo.

La condición de Nitrificación es un ciclo recurrente que puede conducir a la pérdida total de cloramina residual en el sistema de distribución y en los tanques de almacenamiento de agua. Si esto ocurriera, toda el agua del sistema tendría que ser arrojado y sería una pérdida total. Como operador, esto es algo que nunca quieres que suceda. No sólo sería una pérdida de dinero para tu empresa, sino que podría llevar a un brote de metahemoglobinemia. El ciclo está a continuación:

Desintegración de cloramina → Liberación de amoníaco→ oxidación de amoníaco a nitrito de bacterias oxidantes → Aumento de biomasa → (volver a la descomposición de la cloramina hasta que exista la posibilidad de pérdida total de residuos)

Algunos indicadores tempranos de nitrificación:

• Disminución de cloramina residual
• Aumento en los recuentos de placas heterótrofas bacterianas
• Exceso de amoníaco en el agua tratada
• Muestras coliformes positivas totales

En suma, la nitrificación puede causar una variedad de problemas y violaciones dentro del sistema de agua. ¿Qué podemos hacer nosotros como operadores para minimizar cualquier posibilidad de que ocurra la nitrificación? Hay algunos pasos que cada operador puede tomar para evitar la nitrificación. Primero, se quiere minimizar el amoníaco libre en el agua tratada. El muestreo y el equipo alrededor de la planta de tratamiento ayudarán a los operadores a determinar si hay demasiado amoníaco libre en el agua tratada.

Segundo, los operadores siempre deben mantener un buen residuo de cloro. ¿No es ese el nombre del juego? Claro, pero es más fácil decirlo que hacerlo en algunos casos. Muchas empresas de tratamiento de agua bajarán su objetivo de cloro residual en el verano para ahorrar en costos porque el desinfectante funciona de manera más eficiente durante los meses de verano. Es una buena práctica en teoría, pero no necesariamente la mejor práctica si estás trabajando con cloraminas y tratando de combatir la nitrificación.

Reducir la edad del agua es el tercer paso que los operadores pueden usar para combatir la nitrificación. Esto se puede hacer haciendo ciclismo en embalses durante los meses de verano y sacando de servicio los embalses durante el invierno cuando la demanda de agua es menor. Los operadores de distribución están equilibrando continuamente manteniendo una buena cantidad de agua para el flujo y la demanda de incendios, pero también circulando embalses para combatir la nitrificación. Una buena práctica es tomar todos los embalses del sistema de distribución y dividirlo en tercios. En cualquier momento dado durante el día 1/3 de los reservorios están llenos, 1/3 están en el rango medio y 1/3 están en el rango inferior. Esto permite a los operadores ciclar el agua mientras que también mantienen el agua en el sistema.

El último paso es mantener limpio el sistema de agua. Esto se puede lograr enjuagando los callejones sin salida para evitar menores residuos de cloro al final del sistema de distribución. Aumentar el cloro agregándolo directamente a un reservorio también es una opción pero no siempre la mejor práctica. El problema con este método es que podría llevar a cortocircuitos. El cloro debe mezclarse adecuadamente para ser efectivo. La mezcla se puede lograr agregando mezcladores mecánicos en el depósito para mantener el agua en movimiento y evitar cortocircuitos. También se puede agregar cloro a la entrada del depósito para que la presión del agua actúe como mezclador.

Figura\(\PageIndex{2}\): (izquierda) un ejemplo de un mezclador de depósito de agua utilizado para ciclar el agua y evitar cortocircuitos. (derecha) Flushing de hidrantes (CC0)

El lavado de hidrantes es un método que se puede utilizar para eliminar el agua estancada en los extremos de un sistema de distribución. El agua estancada puede conducir a menores residuos de cloro y a una posible nitrificación.

En resumen, el uso de cloraminas como desinfectante está siendo empleado por muchas agencias de agua en Estados Unidos para prevenir la formación de DBP. No es el desinfectante más ideal disponible, pero sí tiene algunas ventajas. La desinfección con cloramina limita la formación de DBP y tiene un desinfectante residual de mayor duración. Esto puede ser útil para sistemas más grandes donde el agua debe viajar grandes distancias para llegar al almacenamiento.

Los inconvenientes incluyen la dificultad para manejar eficazmente la curva de cloración del punto de interrupción y el manejo de la nitrificación. Debido a los avances en las pruebas de calidad del agua y regulaciones más estrictas con DBPs, el tratamiento con cloramina es y seguirá siendo una opción más popular en el tratamiento del agua.

Revisión del Capítulo

1. ¿Cuál es la relación objetivo de cloro a amoníaco?
   1. 2:1
   2. 3:1
   3. 4:1
   4. 5:1
2. ¿Qué es el MCL para los nitratos?
   1. 1 ppm
   2. 10 ppm
   3. 5 ppm
   4. Ninguna de las anteriores
3. ¿Cuál es el peso atómico del cloro?
   1. 70
   2. 14
   3. 65
   4. 20
4. ¿Qué desinfectante tiene el residuo de mayor duración?
   1. Ozono
   2. Cloro
   3. Cloramina
   4. Dióxido de cloro
5. ¿Cuáles son algunos de los primeros indicadores de nitrificación?
   1. Disminución de cloro residual
   2. Exceso de amoniaco en agua tratada
   3. Elevación en recuentos de placas heterótrofas bacterianas
   4. Todo lo anterior
6. ¿En qué se clasifican los THM?
   1. Turbidez
   2. Radiológico
   3. Productos químicos orgánicos volátiles
   4. Sales
7. ¿Qué método pueden emplear los operadores para combatir la nitrificación?
   1. Objetivo de cloro residual más bajo
   2. Mantenga los niveles del depósito estáticos
   3. Minimizar el amoníaco libre en el agua tratada
   4. Aumentar la edad del agua
8. ¿Cuántas veces más fuerte es el cloro comparado con la monocloramina?
   1. 25 veces
   2. 20 veces
   3. 15 veces
   4. 5 veces