1.7: Instalaciones y Operaciones de Tratamiento de Agua
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El tratamiento del agua es uno de los pasos más críticos en el proceso de agua potable. Es fundamental eliminar partículas no deseadas, inactivar organismos dañinos y tratar a un nivel que cumpla con la Ley de Agua Potable Segura (SDWA). La mayoría del agua tratada dentro de las plantas de tratamiento de agua potable proviene de fuentes de suministro superficial A medida que la nieve se derrite y la lluvia se mueve a lo largo de la superficie del suelo hacia ríos, arroyos y lagos, las partículas se recogen en el camino. Por lo tanto, TODAS las aguas superficiales que se utilicen para fines de agua potable doméstica deben ser tratadas. El agua superficial también es más susceptible a la contaminación porque gran parte de esta contaminación proviene de la “escorrentía”. Cada vez que llueve o cuando la nieve se derrite, el agua se lava de montañas, laderas, caminos y otras áreas, recogiendo cualquier cosa en el camino. Por ejemplo, imagina una granja junto a un arroyo que alimenta a un lago local utilizado como reservorio de almacenamiento de agua potable. Existe la posibilidad de que los desechos animales, entre otras cosas, lleguen al depósito de almacenamiento. Solo el sedimento de la ladera de un lago y la materia orgánica natural en un lago hacen que el agua no sea apta para beber. Por lo tanto, hay regulaciones dentro de la Ley de Agua Potable Segura llamada Regla de Tratamiento de Aguas Superficiales (SWTR), que aborda específicamente los requisitos de tratamiento de aguas superficiales. Ha habido varias iteraciones de esta regla para mejorar la calidad del agua potable. El SWTR está diseñado para prevenir enfermedades transmitidas por el agua causadas por microorganismos. La regla requiere que los sistemas de agua filtren y desinfecten el agua de fuentes superficiales para reducir la ocurrencia de niveles inseguros de microbios causantes de enfermedades.
Uno de los componentes principales para los que el SWTR requiere tratamiento y monitoreo es la turbidez. La turbidez es la turbidez o turbidez que se observa en las muestras de agua y evita el rendimiento de los sistemas de filtración. Los requerimientos de baja turbidez se utilizan para proteger contra ciertos contaminantes microbianos, en particular Cryptosporidium. Cryptosporidium es un protozoo que puede causar enfermedades gastrointestinales en humanos, lo cual es similar a muchos microorganismos causantes de enfermedades. Cuanto menores sean los niveles de turbidez, menor será la probabilidad de que haya microorganismos causantes de enfermedades. El SWTR también requiere desinfección para proteger contra estos patógenos. Los productos químicos de desinfección, como el cloro, se utilizan para inactivar (matar) patógenos durante el proceso de tratamiento a través de un residuo requerido presente en el agua en todo el sistema de distribución.
Las aguas superficiales también tienen que ser tratadas por cualidades estéticas. Una calidad estética no suele afectar a la salud pública. Este tipo de cualidades suelen estar relacionadas con la apariencia y palatabilidad del agua. ¿El agua sabe bien, se ve bien y huele bien? Sabor, olor y color son tres cualidades que la calidad del agua superficial se trata para mejorar.
Partículas en Agua
Las partículas en el agua se pueden dividir en tres (3) categorías generales: sólidos suspendidos, compuestos coloidales y sólidos disueltos. Los microorganismos entran en la categoría de compuestos coloidales. Uno de los principales objetivos de una planta de tratamiento de aguas superficiales es prevenir el brote de enfermedades por microorganismos. A estos agentes causantes de enfermedades se les conoce como patógenos. Las tres categorías principales de patógenos se distinguen como bacterias, virus y protozoos. En la calidad del agua potable, estos organismos no se analizan específicamente en muestras. Los organismos específicos, virus y protozoos pueden ser muy costosos y requerir técnicas de muestreo extensas. Algunos de los patógenos más comunes, que se pueden encontrar en el agua, son:
- Bacterias — Escherichia coli (E. coli) y cólera Vibrio
- Virus — Enterovirus y Coronavirus
- Protozoos — Cryptosporidium parvum y Giardia lamblia
En lugar de analizar estos organismos específicamente, se usa en su lugar una clase de organismos llamados coliformes totales (TC). TC se conoce colectivamente como organismos indicadores. La presencia o ausencia de bacterias TC indica la presencia o ausencia de patógenos. La prueba analítica es fácil, económica y muy efectiva. Los microorganismos son una clase de “partículas” eliminadas o inactivadas del agua. Los microorganismos son difíciles de eliminar del agua, por lo que generalmente se destruyen o inactivan a través del proceso de tratamiento.
A diferencia de los compuestos coloidales, los sólidos suspendidos se eliminan más fácilmente. Gran parte del material suspendido que se encuentra en los suministros de agua superficial se conoce como turbidez. Esta turbidez proviene del material vegetal en descomposición y el suelo, ya que el agua corre a través de la tierra y llega a arroyos y lagos. Si bien los sólidos suspendidos no suelen estar asociados con enfermedades, pueden proteger a los microorganismos de los procesos de tratamiento y proporcionar una mala calidad general al suministro de agua.
Los compuestos disueltos son los más difíciles de eliminar porque se disuelven en el agua. Piensa en azúcar o sal mezclada en un vaso de agua. Una vez que se disuelve y se mezcla en el agua se necesita un proceso de tratamiento para eliminarla del agua. Estos procesos de tratamiento son más complejos que la planta estándar de tratamiento de agua potable. Hay una variedad de procesos que incluyen cosas como el intercambio iónico, la filtración por membrana, la absorción química y otros. Si los compuestos disueltos no representan una amenaza para la salud o si están por debajo de su correspondiente Nivel Máximo de Contaminantes (MCL), normalmente no son tratados en el proceso de tratamiento del agua potable.
Pre-Almacenamiento
Antes de ingresar a una planta de tratamiento de agua potable, el agua generalmente se mantiene en grandes depósitos de almacenamiento. Estos “embalses” (lagos) proporcionan un área para que se colecten grandes cantidades de agua por lo que la planta de tratamiento tiene una fuente constante de suministro. Estos embalses también pueden permitir cierto asentamiento de sólidos y muchos se duplican como espacio de recreación para la pesca, la navegación y el esquí acuático, etc.
Entrando a la Planta de Tratamiento
Como se discutió en capítulos anteriores, el agua superficial utilizada para beber se almacena comúnmente en lagos sobre el suelo. Estos embalses de almacenamiento a veces se utilizan para la recreación, como la pesca, la navegación y el esquí acuático. Este uso recreativo es una parte importante de la economía y el uso público. Sin embargo, pueden agregar problemas adicionales de calidad de agua para la planta de tratamiento de agua. El agua que sale de estos depósitos de almacenamiento necesita estar libre de desechos grandes como plantas, peces, basura, madera, etc. Para poder sacar agua del depósito de almacenamiento y dejar los escombros más grandes detrás hay estructuras de “toma”. Una estructura de entrada de agua superficial es una estructura tamizada para dejar pasar el agua y evitar que los artículos más grandes ingresen a la planta de tratamiento. El tamaño de la pantalla puede variar dependiendo del uso del depósito de almacenamiento y la calidad del agua cruda. Agua cruda es el término utilizado para identificar el agua antes del tratamiento. La imagen de abajo muestra un ejemplo.
El agua que ingresa a la estructura de admisión puede ser bombeada o puede fluir por gravedad a la planta de tratamiento dependiendo de la ubicación de la planta en comparación con el depósito de almacenamiento. Las válvulas se pueden usar para ajustar el flujo hacia la planta y el agua a veces se mantiene en un tanque de almacenamiento in situ que conduce a la planta.
Dentro de una planta de tratamiento de agua
Pre-desinfección
Una vez que el agua cruda ingresa a una planta de tratamiento, puede haber un proceso de pre-desinfección. Algunas plantas utilizan un desinfectante para matar patógenos y otros microorganismos antes de que el agua pase por el proceso de tratamiento. Esto se puede hacer para evitar que ciertos organismos ingresen a la planta y tengan un efecto en los diversos procesos de tratamiento. O se puede hacer para eliminar precursores, como el carbono orgánico total, para evitar que se formen subproductos de desinfección. Las plantas de tratamiento más nuevas utilizarán ozono como desinfectante principalmente porque es un oxidante efectivo y no deja un residuo en el agua durante todo el proceso de tratamiento.
El ozono es una forma trivalente de oxígeno. En pocas palabras, es un compuesto de tres (3) moléculas de oxígeno (O3). Si alguna vez has olido una chispa eléctrica o un rayo, lo más probable es que sea el ozono lo que olías. Debe ser utilizado en el punto de generación. A diferencia del cloro, que puede procesarse en una planta química (por ejemplo), una planta de tratamiento que utilice ozono debe generarlo in situ. El ozono tiene una serie de beneficios sobre el cloro.
Ozono comparado con el cloro
- Desinfectante más fuerte
- No contribuye a los subproductos de desinfección
- Mata a una gama más amplia de organismos
- Logra la eliminación de sabores y olores no deseados
- Las reacciones son más rápidas
Sin embargo, como se mencionó anteriormente, el ozono no deja un desinfectante residual en el agua. Esto podría ser algo bueno para una planta de tratamiento, pero el ozono no se usa en los sistemas de distribución porque se necesita un residuo.
Tratamiento Convencional vs Filtración Directa
Hay dos tipos principales de plantas de tratamiento de agua potable. Existen plantas de tratamiento convencionales y plantas de filtración directa. Cada uno tiene beneficios e inconvenientes. Todo lo cual será discutido en este texto. Es importante recordar que este texto es un texto introductorio para una visión muy general de la industria hídrica. Por lo tanto, los detalles de cada proceso de tratamiento discutido pueden omitirse y se proporcionan en cursos más especializados. La diferencia básica entre una planta de tratamiento de agua convencional y una planta de tratamiento de agua de filtración directa es una cuenca de sedimentación. Una planta convencional de tratamiento de agua potable tiene una cuenca de sedimentación y una planta de filtración directa no. Entonces, ¿por qué se usaría uno sobre otro? A continuación se muestra un ejemplo de algunos de los “pros” y “contras” de una cuenca de sedimentación.
Ventajas de la cuenca de sedimentación
- Permite que los sólidos se depositen fuera del agua antes de ingresar al proceso de filtración
- Reduce la cantidad y duración de los filtros de retrolavado
Cuenca de sedimentación Contras
- Las cuencas de sedimentación son grandes y requieren una planta de tratamiento más grande
- El lodo en el fondo de una cuenca de sedimentación necesita ser eliminado de vez en cuando.
Ahora veremos los otros procesos que se encuentran típicamente en unas plantas de tratamiento de agua potable de filtración convencional y directa. Las fotos proporcionadas en esta sección son cortesía del Departamento de Calidad Ambiental de Michigan.
Coagulación
La coagulación es el proceso de adición química como “Alum” al suministro de agua para que pequeñas partículas suspendidas se “peguen” juntas formando flóculo. Los químicos agregados producen cargas positivas para neutralizar las cargas negativas en las partículas. Las partículas se pegan entre sí cada vez más grandes durante este proceso.
Floculación
A medida que las partículas comienzan a pegarse, el agua se envía luego a través de una serie de tanques con “paletas”. Estas paletas están diseñadas para mezclar lentamente el agua, juntando las partículas para formar partículas cada vez más grandes llamadas “flóculo”. El proceso de mezcla debe ser lo suficientemente suave como para no romper el flóculo en partículas más pequeñas.
Sedimentación
En las plantas convencionales de tratamiento de agua potable el proceso de sedimentación permite que las fuerzas de gravedad permitan que el flóculo se “asiente” en el fondo de la cuenca. No todo el flóculo se asentará. Como cabría esperar, las partículas grandes se asientan más rápidamente que las partículas pequeñas. Además, cuanto más lento se mueva el agua a través de la cuenca, más partículas se asentarán. El agua en una planta de filtración directa se mueve directamente de los tanques de floculación al siguiente paso... filtración.
Filtración
El proceso de filtración es uno de los pasos más críticos. Los filtros se construyen comúnmente en cajas de concreto y contienen arena y grava. En ocasiones se utilizan otros medios filtrantes, pero muchas veces la arena es suficiente para eliminar las partículas suspendidas restantes. El propósito de la grava es soportar la arena y evitar que salga del filtro. Debajo de la grava hay una estructura llamada “drenaje subterráneo”. El propósito del drenaje subterráneo es permitir que el agua filtrada clara salga del filtro mientras soporta los medios filtrantes de grava y arena. El proceso de retrolavado se discutirá más adelante.
Post-desinfección
Antes de que el agua ingrese al sistema de distribución, generalmente se desinfecta con un desinfectante a base de cloro. El gas cloro era y sigue siendo utilizado comúnmente para proporcionar un residuo de cloro “libre” en todo el sistema de distribución. Sin embargo, debido al riesgo de la calidad del agua de los subproductos de desinfección, muchas plantas de tratamiento de agua están utilizando un residuo de cloro “total” al mezclar cloro y amoníaco juntos. Este proceso de desinfección se conoce como cloraminación.
¿Cuánto desinfectante se requiere antes de que se pueda proporcionar agua a los clientes para uso doméstico?
Hay dos “estándares” a la hora de la desinfección. Existe un nivel máximo de desinfectante residual (MRDL) y un nivel mínimo de desinfectante, los cuales deben proporcionarse a las áreas más alejadas dentro de un sistema de distribución. El MRDL es de 4.0 mg/L y este nivel no debe superarse en el agua que ingresa a un sistema de distribución. Los niveles típicos de cloro libre (cloro) y cloro total (cloraminación) en el agua que sale de una planta de tratamiento pueden variar, pero comúnmente se encuentran entre 2.5 y 3.5 mg/L. El nivel residual mínimo, que debe mantenerse en las áreas más alejadas de un sistema de distribución, es de 0.2 mg/L. multiplicar, un “residual” ayuda a prevenir el rebrote y mantiene el agua libre de patógenos. Los valores de dosificación anteriormente mencionados generalmente proporcionan suficiente desinfectante para matar/inactivar (demanda de desinfectante) los microorganismos restantes y permitir un residuo constante y mínimo dentro del sistema de distribución. En la oración anterior se utilizaron tres (3) términos comunes asociados a la desinfección; dosificación, demanda y residual.
- Dosificación — es la cantidad de un desinfectante agregado.
- Demanda — es la cantidad de desinfectante “consumido” por los agentes reductores de desinfección en el agua (microorganismos, materia orgánica, etc.)
- Residual — es la cantidad de desinfectante que queda en el suministro de agua.
Por lo tanto, se utiliza comúnmente la siguiente fórmula.
Dosis = Demanda + Residual
La cantidad de desinfectante agregado a un suministro de agua (dosis) menos la cantidad “consumida” (demanda) equivale a la cantidad restante, que se conoce como el residual.
Almacenamiento
Para que las plantas de tratamiento proporcionen grandes cantidades de agua a los sistemas de distribución, comúnmente se requiere una gran cantidad de almacenamiento y se proporciona en la planta de tratamiento. Este almacenamiento “posterior” puede y muchas veces ser de millones a decenas de millones de galones. Por lo tanto, las plantas de tratamiento requieren grandes áreas de tierra para todo el proceso de tratamiento y almacenamiento.
Procesos de Tratamiento Adicionales
Si la calidad afluente del agua que ingresa a una planta de tratamiento o si el suministro de agua que está produciendo un sistema de distribución, (muchas veces de pozos de agua subterránea), está contaminado y no dentro de los estándares de agua potable, el agua requerirá tratamiento adicional. Algunos de estos procesos incluyen, pero no se limitan a, intercambio iónico, filtración por membrana y extracción de aire. El intercambio iónico, por ejemplo, es el proceso de eliminación de iones usando agua con iones cargados opuestos. En Water 050 y 052, analizará más en profundidad cada proceso y analizará los beneficios y desafíos que un operador de tratamiento de agua podría encontrar.
Carreras en Tratamiento de Agua Potable
Debido a que muchas plantas de tratamiento de agua potable son proveedores de agua al por mayor, lo que significa que venden agua a diversas agencias de agua, la extensión de las oportunidades y trayectorias profesionales puede ser bastante extensa. Pueden tener carreras que van desde técnicos de campo, trabajadores de mantenimiento, operadores de plantas de tratamiento, ingenieros, profesionales de recursos hídricos, así como una variedad de oportunidades relacionadas con oficinas y políticas. Por ejemplo, el Distrito Metropolitano del Agua (MWD) de entregas de California es uno de los mayores proveedores de agua mayorista del país. MWD proporciona aproximadamente 1.7 mil millones de galones de agua por día y es el mayor contratista del Proyecto Estatal de Agua. Además de las responsabilidades asociadas con operar una planta de tratamiento de agua, MWD cuenta con un extenso sistema de distribución. También tienen la importante tarea de asegurar las fuentes de abastecimiento para garantizar que siempre haya suficiente agua para los minoristas de agua que les compran agua. Tienen responsabilidades adicionales en las áreas de conservación del agua, asuntos legales, relaciones públicas, recursos humanos, finanzas, administración... la lista sigue y sigue. Emplean a casi 2 mil personas con trabajos que van desde trabajadores hasta científicos, ingenieros y más. Como puedes imaginar, tratar de enumerar y discutir la gran cantidad de oportunidades para una organización como esta sería un proceso largo. Para un curso introductorio como este sería poco práctico. Por lo tanto, solo veremos un ejemplo más pequeño de una planta de tratamiento de agua potable y nos centraremos en las oportunidades de carrera disponibles para estudiantes como usted.
Operador de Planta de Tratamiento
Los Operadores de Plantas de Tratamiento de Agua (WTPO) suelen trabajar varios turnos asignados. No suele ser un tipo de trabajo típico de “8 a 5”. Después de todo, el agua potable tratada y segura debe estar disponible para los clientes las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Por lo tanto, WTPO necesita trabajar las 24 horas del día para asegurarse de que el proceso de tratamiento funcione de manera eficiente. A continuación se muestra una lista de algunas de las tareas y responsabilidades más comunes de una WTPO.
- Asegurar que la planta de tratamiento esté en funcionamiento
- Realizar pruebas de laboratorio biológicas, químicas y físicas en el agua
- Interpretar los resultados de pruebas
- Monitorear y leer medidores, medidores, gráficos y otros indicadores de desempeño del tratamiento
- Supervisar e inspeccionar equipos e instrumentación del proceso de tratamiento
- Hacer ajustes y tomar medidas correctivas en el equipo de proceso de tratamiento
- Mantener registros operativos y de calidad del agua
- Elaborar informes
- Participar en programas de capacitación
Además, otras responsabilidades pueden incluir la limpieza y desinfección de los tanques de almacenamiento, el lavado de tuberías y la realización de recorridos públicos por la planta de tratamiento. A menudo, las plantas tendrán una variedad de procesos automatizados y la WTPO monitoreará estos procesos en una pantalla de computadora realizando ajustes a través de un Sistema de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA).
La experiencia y las calificaciones educativas también dependerán del tamaño de la instalación, pero muchos puestos de nivel de entrada requerirán un mínimo de una certificación de Operador de Tratamiento de Grado 3 (T3) o una certificación de Operador de Tratamiento de Grado 2 con la capacidad de obtener un T3 dentro de un año de empleo. Dado que las plantas de tratamiento también pueden tener un sistema de distribución asociado para llevar agua a los servicios públicos que les compran agua, también se puede requerir una certificación de Operador de Distribución. Cuanta más educación y experiencia puedas obtener siempre te ayudará a tus posibilidades de conseguir un empleo. Un título de asociado o licenciatura a veces aparece como una calificación “deseable”.
Trabajador de Mantenimiento de Plantas de Tratamiento de
Así como un sistema de distribución necesita mantenimiento, una planta de tratamiento de agua también requiere mantenimiento. Las bombas y los motores pueden funcionar mal. Las tuberías pueden tener fugas. El proceso del sistema y el equipo pueden averiarse requiriendo reparaciones o reemplazo. Por lo tanto, la mayoría de las plantas de tratamiento contarán con un equipo de mantenimiento como parte del personal.
Calidad del Agua y Personal de Laboratorio
Muchas plantas de tratamiento de agua contarán con su propio laboratorio de agua potable para analizar muestras a lo largo del proceso de tratamiento asegurando el correcto funcionamiento y para ajustar las dosis químicas. El personal podría estar a cargo de recolectar muestras y ejecutar instrumentación analítica en el laboratorio. También podrían ser responsables de redactar informes y realizar un seguimiento de los datos de calidad del agua para el cumplimiento normativo.