1.12: Tratamiento de Agua para Eliminación de Contaminados
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Objetivos de aprendizaje
- Describir características de calidad del agua
- Describir los procesos de desinfección
- Explicar la desinfección con cloro
- Describir las clases de calidad del agua
- Explicar la estructura de las características de calidad del agua
Características de la calidad del agua
El agua es el solvente universal; y por lo tanto, lleva todo tipo de materiales disueltos. El agua también lleva formas de vida biológicas que pueden causar enfermedades. Los organismos patógenos transmitidos por el agua pueden causar enfermedades como ántrax, disentería bacilar, cólera, gastroenteritis, salmonela, shigelosis, fiebre tifoidea polio, disentería amebiana, criptosporidium y giardia.
Uno de los procesos de limpieza en el tratamiento del agua segura se llama desinfección. La desinfección es el proceso diseñado para matar o inactivar la mayoría de los microorganismos en el agua, incluyendo esencialmente todas las bacterias patógenas (causantes de enfermedades). El agua se puede desinfectar con cloración, que es el método más común empleado debido al costo, disponibilidad y confiabilidad. La esterilización es la destrucción completa de todos los organismos. La esterilización no es necesaria para el tratamiento del agua, y es bastante costosa de llevar a cabo.
Factores que influyen en la desinfección
Muchos factores influyen en la desinfección del agua. Estos factores incluyen pH, temperatura, turbidez, agentes reductores y microorganismos.
pH
El pH del agua que se está tratando puede alterar la eficiencia de la desinfección. El cloro desinfecta el agua mucho más rápido y mejor a un pH alrededor de 7.0 en lugar de a un pH superior a 8.0.
Temperatura
Las condiciones de temperatura influyen en la efectividad de los desinfectantes. Cuanto mayor sea la temperatura del agua, más eficientemente se puede tratar. El agua cerca de 70 a 85oF es más fácil de desinfectar que el agua de 40 a 60oF. Se requieren tiempos de contacto más largos para desinfectar el agua a temperaturas más bajas. Para acelerar el proceso, los operadores utilizan mayores cantidades de productos químicos. Tenga en cuenta que cuanto mayor sea la concentración de cloro, mayor será la tasa de disipación del cloro a la atmósfera. Este hecho puede resultar en la producción de olores y el proceso desperdicia cloro.
Turbidez
En condiciones normales de operación, el nivel de turbidez del agua tratada es bajo cuando el agua alcanza el proceso de desinfección. La turbidez excesiva reducirá en gran medida la eficiencia del químico o proceso desinfectante. Las plantas de tratamiento de agua han demostrado que cuando el agua se filtra a una turbidez de una unidad o menos, la mayoría de las bacterias han sido eliminadas.
La materia suspendida puede cambiar la naturaleza química del agua cuando se agrega el desinfectante. Algunos tipos de sólidos suspendidos pueden crear una demanda continua del químico desinfectante, y cambiar las propiedades germicidas efectivas del desinfectante.
Materia Orgánica
Los orgánicos que se encuentran en el agua pueden consumir grandes cantidades de desinfectantes mientras forman compuestos no deseados. Los trihalometanos (THMS) son un ejemplo de compuestos indeseables formados por reacciones entre cloro y ciertos compuestos orgánicos. Desinfectando, los químicos a menudo reaccionan con orgánicos y agentes reductores. Entonces, si alguno de los químicos permanece disponible después de esta reacción inicial, puede actuar como un desinfectante efectivo. Las reacciones con orgánicos y agentes resultantes, sin embargo, tienen un efecto reductor significativo en la cantidad de químicos disponibles para la desinfección.
Materia Inorgánica
Los compuestos inorgánicos, como el amoníaco (NH3) en el agua que se está tratando, pueden crear problemas especiales. En presencia de amoníaco, algunos químicos oxidantes forman compuestos secundarios causando una pérdida parcial de poder desinfectante. El limo también puede crear una demanda química. Es claro que las propiedades químicas del agua mientras se está tratando pueden interferir seriamente con la efectividad de los químicos desinfectantes.
Agentes Reductores
El cloro se combina con una amplia variedad de materiales, especialmente agentes reductores. La mayoría de las reacciones entre cloro y agentes reductores ocurren rápidamente; sin embargo, otras reacciones son mucho más lentas. Las reacciones secundarias complican el uso de cloro para la desinfección. La demanda de cloro por los agentes reductores debe satisfacerse antes de que el cloro esté disponible para desinfectar. Ejemplos de agentes reductores en el agua que reaccionan con cloro son sulfuro de hidrógeno (H 2 S), ion ferroso (Fe+2), ion manganoso (Mn+2), amoníaco (NH 3) y nitrito (NO 2 -). Los agentes reductores orgánicos en el agua también reaccionarán con el cloruro y formarán materiales orgánicos clorados de importancia potencial para la salud.
Microorganismos
La concentración de microorganismos es importante porque cuanto mayor es el número de microorganismos, mayor es la demanda de un químico desinfectante. La resistencia de los microorganismos a desinfectantes específicos varía. Las bacterias no formadoras de esporas son generalmente menos resistentes que las bacterias formadoras de esporas. Los quistes y virus pueden ser resistentes a ciertos tipos de desinfectantes.
Procesos de Remoción
Los organismos patógenos pueden eliminarse del agua, matarse o inactivarse mediante procesos físicos y químicos de tratamiento del agua. Estos procesos son:
- Coagulación-coagulación química seguida de sedimentación y filtración eliminará 90 a 95 por ciento de los organismos patógenos dependiendo de qué químicos se utilicen. El uso de alumbre puede aumentar la eliminación de virus hasta en un 99 por ciento.
- El diseño adecuado de la sedimentación de los procesos de sedimentación puede eliminar eficazmente del 20 al 70 por ciento de los microorganismos patógenos. Esta remoción se logra permitiendo que los organismos patógenos se asienten por gravedad, asistidos por flóculos químicos.
- Filtración-filtración de agua a través de filtros granulares es un medio eficaz para eliminar patógenos y otros organismos del agua. Las tasas de remoción varían de 20 a 99 por ciento, dependiendo de la aspereza del medio filtrante y del tipo de efectividad del pretratamiento.
Proceso de desinfección
La desinfección destruye organismos nocivos. El proceso no esteriliza el agua. Elimina organismos patógenos del agua. El proceso se puede realizar física o químicamente. Los métodos físicos pueden ser:
- Retirar físicamente los organismos del agua
- Introducir movimiento que alterará la actividad biológica de las células y las matará o inactivará
Los métodos químicos alteran la química celular provocando la muerte del microorganismo. El químico desinfectante más utilizado es el cloro. El cloro se obtiene fácilmente, relativamente barato, y lo más importante, deja un residuo de cloro que se puede medir. También se utilizan otros desinfectantes. Se ha producido un mayor interés en desinfectantes distintos del cloro debido al compuesto cancerígeno que puede formar el cloro (trihalometanos o THM).
Rayos ultravioleta
La luz UV es un medio físico de desinfección. Se utiliza para destruir microorganismos patógenos. Para ser efectivos, los rayos deben entrar en contacto con cada microorganismo. La energía ultravioleta interrumpe diversos componentes orgánicos de la célula provocando un cambio biológico que es fatal para los microorganismos.
Este sistema no tiene un residuo medible y el costo de operación es alto. El uso de rayos ultravioleta se limita a sistemas pequeños o locales y aplicaciones industriales. Los barcos oceánicos han utilizado estos sistemas para sus suministros de agua.
Los avances en la tecnología ultravioleta y la preocupación por los subproductos de desinfección producidos por otros desinfectantes han despertado un renovado interés en la desinfección UV.
Calor
El calor se ha utilizado durante siglos para desinfectar el agua. El agua hirviendo durante aproximadamente 5 minutos destruirá esencialmente todos los microorganismos. Este método es intensivo en energía y costoso. La única aplicación práctica es en caso de desastre cuando se requiere que los usuarios locales individuales hiervan su agua.
Ondas ultrasónicas
Este proceso se utiliza para desinfectar el agua a una escala limitada. Las ondas sónicas destruyen microorganismos por vibración. Este proceso no es práctico y es caro.
Desinfección Química
Yodo
El yodo se utiliza como desinfectante en el agua pero su uso se limita a situaciones de emergencia. Es un buen desinfectante pero su costo es alto. Además, un potencial efecto fisiológico en mujeres embarazadas impide su uso generalizado. La dosis recomendada es de dos gotas de tintura de yodo, que es 7% de yodo disponible, en un litro de agua.
Bromo
El bromo se utiliza de forma limitada para el tratamiento del agua debido a dificultades de manejo. El bromo provoca quemaduras en la piel al contacto. Debido a que el bromo es un residuo químico muy reactivo son difíciles de obtener. El bromo se puede comprar para el uso de la piscina y la bañera de hidromasaje.
Bases
Las bases pueden ser desinfectantes efectivos pero los altos valores de pH dejan un sabor amargo en el agua terminada. Bases como el hidróxido de sodio y la cal pueden arder cuando se dejan demasiado tiempo en contacto con la piel. Las bases efectivamente matan a todos los microorganismos: y por lo tanto, pueden esterilizar el agua. Se han utilizado bases para esterilizar tuberías.
Ozono
El ozono se utiliza para desinfectar el agua junto con reducir el sabor y los olores. Tiene un uso limitado debido a su alto costo, falta de residuos, dificultad para almacenar y requisitos de mantenimiento.
Aunque el ozono es efectivo en la desinfección del agua, su uso está limitado por su solubilidad. La temperatura y presión del agua que se está tratando regulan la cantidad de ozono que se puede disolver en el agua. Estos factores tienden a limitar la fuerza desinfectante que se puede poner a disposición para tratar el agua.
El ozono destruye todos los microorganismos pero el ozono residual significativo no garantiza que el agua sea segura para beber. Los sólidos orgánicos pueden proteger a los organismos de la acción de desinfección del ozono y aumentar la cantidad de ozono necesaria para la desinfección. Además, un residuo de ozono no se puede mantener en conductos metálicos durante ningún periodo de tiempo debido a la reactividad del ozono. La incapacidad del ozono para proporcionar un residuo en el sistema de distribución es un inconveniente importante para su uso. Sin embargo, la formación de THM por el cloro ha dado lugar a un renovado interés por el ozono como medio alternativo de desinfección.
Cloro
El cloro es un gas de color amarillo verdoso con un olor penetrante y distintivo. El gas es dos veces y media más pesado que el aire. El cloro tiene un alto coeficiente de expansión. Un litro de cloro líquido se expandirá 450 veces al cambiar de líquido a gas. No se deben llenar contenedores de cloro a más del 85 por ciento de su capacidad.
El cloro no es inflamable y no es explosivo. Apoyará la combustión. Cuando la temperatura sube, también lo hace la presión de vapor de chorine. Cuando la temperatura aumenta aumenta la presión del gas cloro dentro de un contenedor de cloro. Esta propiedad del cloro se considera cuando se alimenta gas cloro desde un contenedor o se trata de un cilindro de cloro con fugas.
Acción de desinfección
El cloro ejerce una acción directa contra la célula bacteriana destruyéndola. Cuando se agrega cloro al agua, se producen varias reacciones químicas. Estas reacciones involucran moléculas de agua. Algunas otras reacciones involucran sustancias orgánicas e inorgánicas suspendidas en el agua.
Cuando se agrega cloro al agua que contiene materiales orgánicos e inorgánicos, se combinará con estos materiales y formará compuestos de cloro. La adición continua de cloro llegará a un punto donde se detenga la reacción con materiales orgánicos e inorgánicos. En este punto, se ha satisfecho la demanda de cloro.
Las reacciones químicas entre el cloro y las sustancias orgánicas e inorgánicas producen compuestos de cloro. Algunos compuestos tienen propiedades desinfectantes y otros compuestos no. De manera similar, el cloro reacciona con el agua y produce sustancias con propiedades desinfectantes. El total de los compuestos con propiedades desinfectantes más cualquier resto de cloro libre se conoce como el cloro residual. La presencia de este residuo de cloro medible indica al operador que se han producido todas las posibles reacciones químicas con el cloro y que se deja un suficiente cloro residual disponible para matar cualquier microorganismo presente en el agua.
Cuando la cantidad de cloro necesaria para satisfacer la demanda de cloro y la cantidad de cloro residual necesaria para la desinfección, entonces se calcula la dosis de cloro.
- Dosificación de cloro = Demanda de Cloro+
Reacciones de cloro en agua
En soluciones que se diluyen con bajas concentraciones de cloro y tienen un pH superior a 4, la formación de HOCl, ácido hipocloroso, está casi completa y deja poco cloro libre (Cl 2). Dependiendo del pH, algún ácido hipocloroso se disociará y producirá un ión hidrógeno y un ion hipoclorito. El ácido hipocloroso es un ácido débil y está poco disociado a niveles de pH por debajo de 6. Por debajo de pH 6 el cloro libre está casi todo en forma de HOCl. Por encima de pH 9, casi todo el cloro libre está en forma de OCl y ninguno en forma de HOCl.
En agua con un pH de 7.5, aproximadamente el 50 por ciento de la corina presente está en forma de HOCl y el 50 por ciento está en forma de OCl-. Este hecho es importante porque HOCl y OCl- difieren en la capacidad de desinfección. El HOCl tiene un potencial de desinfección mucho mayor que el OCl-.
Reacciones con Sustancias en Agua
El sulfuro de hidrógeno y el amoníaco son dos sustancias inorgánicas que se encuentran en el agua cuando llega a la etapa de desinfección del tratamiento. Su presencia puede complicar el uso del cloro con fines de desinfección porque ejercen una demanda de cloro. El sulfuro de hidrógeno y el amoníaco son agentes reductores y reaccionan con el cloro para eliminarlo del agua. Pierden electrones y el cloro reacciona rápidamente para aceptar estos electrones.
El sulfuro de hidrógeno produce un olor que huele a huevos podridos. Reacciona con el cloro para formar ácido sulfúrico y azufre elemental. El azufre elemental es objetable porque puede causar problemas de olor y precipitará como partículas blancas finamente divididas que a veces son de naturaleza coloidal.
Cuando se agrega cloro al agua que contiene amoníaco, reacciona rápidamente con el amoníaco y forma cloraminas. Esta reacción reduce el cloro que está disponible para actuar como desinfectante. A medida que aumenta la concentración de amoníaco, el poder desinfectante del cloro disminuye a un ritmo rápido debido a la demanda de cloro que ejerce el amoníaco.
Cuando el material orgánico está presente en el agua, las reacciones químicas que tienen lugar con el cloro pueden producir presuntos compuestos cancerígenos (THM). La formación de estos compuestos se puede prevenir limitando la cantidad de precloración y eliminando los materiales orgánicos antes de la cloración del agua.
Hipoclorito
El uso del hipoclorito para tratar el agua potable logra el mismo resultado que el gas cloro. El hipoclorito se puede aplicar en forma de hipoclorito de calcio o hipoclorito de sodio. La forma de hipoclorito de calcio que se utiliza con mayor frecuencia para desinfectar el agua se conoce como Hipoclorito de Alta Prueba (HTH).
Dióxido de cloro
El dióxido de cloro (ClO2) se puede utilizar como desinfectante. El dióxido de cloro no forma compuestos cancerígenos que puedan ser formados por otros compuestos de cloro. Tampoco se ve afectado por el amoníaco, y es un desinfectante muy efectivo a niveles de pH más altos. Además, el dióxido de cloro reacciona con compuestos de sulfuro ayudando a eliminarlos y eliminar sus olores característicos. Los sabores y olores fenólicos se pueden controlar con dióxido de cloro.
Cloraminación
La cloraminación es utilizada como un proceso alternativo de desinfección por parte de los operadores para:
- Reducir la formación de ThM y otros subproductos de desinfección
- Mantener un residuo detectable en todo el sistema de distribución
- Penetración de la biopelícula y reducción del potencial de rebrote coliforme
- Matar o inactivar bacterias de recuento de placas heterótrofas
- Reducción de los problemas de sabor y olor
Se utilizan varios factores para tomar una decisión sobre el uso de la desinfección con cloramina. Estos factores son la calidad del agua cruda, la capacidad de la planta de tratamiento para cumplir con diversas regulaciones, prácticas operativas y características del sistema de distribución.
Se utilizan tres métodos para producir cloraminas con fines de desinfección. Estos métodos incluyen la pre-amoniación seguida de cloración, adición de cloro y amoníaco al mismo tiempo, y la precloración con post-amoniación.
La pre-amoniación seguida de cloración se aplica en el proceso de la unidad de mezcla rápida y se agrega cloro aguas abajo en la entrada de la cuenca de floculación. Este enfoque produce niveles de THM más bajos que el método post amononiación. La pre-amoniación para formar cloraminas no produce sabores y olores fenólicos, pero este método puede no ser tan efectivo como la post-amoniación para controlar los sabores y olores asociados con diatomeas y bacterias anaerobias en el agua de origen.
La adición simultánea de cloro y amoníaco es un método que aplica cloro al afluente de la planta al mismo tiempo o inmediatamente después de que se introduce el amoníaco en el proceso de la unidad de mezcla rápida. La cloraminación concurrente produce los niveles de THM más bajos de los tres métodos.
La precloración y postamoniación es un método donde se aplica cloro a la cabeza de la planta y se mantiene un residuo de cloro libre a lo largo de los procesos de la planta. Se agrega amoníaco en el efluente de la planta para producir cloraminas. Debido al mayor tiempo de contacto con cloro libre, este método da como resultado la formación de más THM, pero puede ser necesario usar este método para cumplir con los requisitos de desinfección de la Regla de Tratamiento de Aguas Superficiales. Una limitación importante del uso de residuos de cloramina es que las cloraminas son menos efectivas como desinfectante que el cloro libre.
Desinfección UV y Tratamiento del Agua
Los rayos ultravioleta (UV) son parte de la luz que proviene del sol. El espectro UV es mayor en frecuencia que la luz visible y menor en frecuencia en comparación con los rayos X. El espectro UV tiene una longitud de onda mayor que los rayos X y una longitud de onda más pequeña que la luz visible y el orden de energía, de baja a alta, es la luz visible, los rayos UV y los rayos X.
Se sabe que la UV es un desinfectante eficaz debido a su fuerte capacidad germicida (inactivante). La radiación UV desinfecta el agua que contiene bacterias y virus y puede ser eficaz contra protozoos, tales como quistes de Giardia lamblia u oocistos de Cryptosporidium. Los rayos UV se utilizan en las industrias farmacéutica, cosmética, de bebidas y electrónica. En Estados Unidos, se utiliza para la desinfección del agua potable; sin embargo, los altos costos operativos en comparación con la desinfección por cloración han limitado su uso.
Debido a los problemas de seguridad asociados con la dependencia de la cloración y las mejoras en la tecnología UV, la UV ha experimentado una mayor aceptación en los sistemas municipales de agua. Dos clases de sistemas de desinfección están certificados y clasificados por la NSF bajo Unidades Estándar 55, Clase A y Clase B.
- Clase A-Estos sistemas de tratamiento de agua ultravioleta deben tener un índice de intensidad y saturación de al menos 40,000 uwsec/cm 2 y poseer diseños que les permitan desinfectar y/o eliminar microorganismos del agua contaminada. Los contaminantes afectados deben incluir bacterias y virus. Los sistemas de punto de entrada y punto de uso de clase A cubiertos por esta norma están diseñados para inactivar y/o eliminar microorganismos, incluyendo bacterias, virus y oocistos de Cryptosporidium y quistes de Giardia del agua contaminada. Los sistemas cubiertos por esta norma no están destinados al tratamiento de agua que tenga contaminación obvia o contaminación intencional de origen, como aguas residuales crudas, ni estos sistemas están destinados a convertir las aguas residuales en agua potable. Estos sistemas están destinados a ser instalados en agua visualmente clara.
- Clase B Estos sistemas de tratamiento de agua ultravioleta deben tener un índice de intensidad y saturación de al menos 16,000 uw-seg/cm2 y poseer diseños que les permitan proporcionar tratamiento bactericida suplementario de agua ya considerada segura, de tal manera que no haya niveles elevados de E. coli o un estándar existe un recuento en placa de menos de 500 colonias por 1 ml. NSF Standard 55 sugiere que los sistemas UV Clase B están diseñados para operar a una dosis mínima y están destinados a reducir los microorganismos no patógenos o molestos que ocurren normalmente solamente. Los sistemas UV Clase B o similares no clasificados no están destinados a la desinfección de agua microbiológicamente insegura.
El tipo de unidad depende de la situación de uso, fuente de agua y calidad del agua. La dosis de luz UV transmitida se ve afectada por la claridad del agua. Los dispositivos de tratamiento de agua dependen de la calidad del agua cruda. Cuando la turbidez es de 5 NTU o mayor y/o los sólidos suspendidos totales son mayores a 10 ppm, se recomienda altamente la prefiltración del agua. Normalmente, es recomendable instalar un filtro de 5 a 20 micrones antes de un sistema de desinfección UV.
La desinfección UV se basa en los principios asociados a las longitudes de onda de la luz que dañan los ácidos nucleicos de patógenos transmitidos por el agua. La radiación UV tiene tres zonas de longitud de onda, UV-A, UV-B y UV-C, y es la última región, la UV-C de onda corta, la que tiene propiedades germicidas para la desinfección. Una lámpara de arco de mercurio de baja presión que se asemeja a una lámpara fluorescente produce la luz UV en el rango de 254 nanómetros (nm). Estas lámparas contienen mercurio elemental y un gas inerte, como el argón, en un tubo transmisor de UV, generalmente cuarzo. Tradicionalmente, la mayoría de las lámparas UV de arco de mercurio han sido del tipo de baja presión, ya que operan a una presión parcial relativamente baja de mercurio, baja presión de vapor general (aproximadamente 2 mbar), baja temperatura externa (50-100o C) y baja potencia. Estas lámparas emiten radiación UV casi monocromática a una longitud de onda de 254 nm, que se encuentra en el rango óptimo para la absorción de energía UV por los ácidos nucleicos (aproximadamente 240-280 nm).
En los últimos años se han instalado lámparas UV de media presión que operan a presiones, temperaturas y niveles de potencia mucho más altos. Emiten un amplio espectro de mayor energía UV entre 200 y 320 nm.
Un requisito esencial para la desinfección UV con sistemas de lámparas es una fuente de electricidad disponible y confiable. Si bien los requisitos de energía de los sistemas de desinfección de lámparas UV de mercurio a baja presión son modestos, son esenciales para el funcionamiento de la lámpara para desinfectar el agua Dado que la mayoría de los microorganismos son afectados por la radiación alrededor de 260 nm, la radiación UV está en el rango apropiado para la actividad germicida. Hay disponibles lámparas UV que producen radiación en el rango de 185 nm, y también son efectivas para reducir microorganismos. También reducirán el contenido total de carbono orgánico (COT) del agua.
Para los sistemas UV típicos, aproximadamente el 95 por ciento de la radiación pasa a través de una manga de vidrio de cuarzo y entra en el agua no tratada. El agua fluye como una película delgada sobre la lámpara. La funda de vidrio está diseñada para mantener la lámpara a una temperatura ideal de aproximadamente 104° F.
La radiación UV afecta a los microorganismos alterando el ADN en las células e impidiendo la reproducción. El tratamiento UV no elimina los organismos del agua. Los inactiva. La efectividad de este proceso está relacionada con el tiempo de exposición y la intensidad de la lámpara, así como con los parámetros generales de calidad del agua.
El tiempo de exposición se reporta como microvatios-segundo por centímetro cuadrado (µwatt-sec/cm 2), y el Departamento de Salud y Servicios Humanos de Estados Unidos ha establecido una exposición mínima de 16,000 µwatt-sec/cm 2 para sistemas de desinfección UV. La mayoría de los fabricantes proporcionan una intensidad de lámpara de 30,000-50,000µwatt-seg/cm 2. En general, las bacterias coliformes se destruyen a 7,000 µwatt-seg/cm 2.
Dado que la intensidad de la lámpara disminuye con el tiempo con el uso, el reemplazo de la lámpara y el pretratamiento adecuado son clave para el éxito de la desinfección UV Además, los sistemas UV deben estar equipados con un dispositivo de alerta para alertar a los operadores cuando la intensidad de la lámpara cae por debajo del rango germicida.
Si se usa solo, la radiación UV no mejora el sabor, el olor o la claridad del agua. La luz UV es un desinfectante muy efectivo, aunque la desinfección solo puede ocurrir dentro de la unidad. No existe desinfección residual en el agua para inactivar las bacterias que pueden sobrevivir o pueden introducirse después de que el agua pase por la fuente de luz. El porcentaje de microorganismos destruidos depende de la intensidad de la luz UV, el tiempo de contacto, la calidad del agua cruda y el mantenimiento adecuado del equipo.
Si el material se acumula en el manguito de vidrio o la carga de partículas es alta, se reduce la intensidad de la luz y la efectividad del tratamiento. A dosis suficientemente altas, todos los patógenos entéricos transmitidos por el agua son inactivados por la radiación UV. El orden general de resistencia microbiana (de menor a mayor) y las dosis UV correspondientes para la inactivación extensa (> 99.9%) son: bacterias vegetativas y los parásitos protozoarios Cryptosporidium parvum y Giardia lamblia a dosis bajas (1-10 mJ/cm 2) y virus entéricos y esporas bacterianas a dosis altas (30-150 MJ/cm 2).
La mayoría de los sistemas de desinfección UV con lámparas de mercurio de baja presión pueden alcanzar fácilmente dosis de radiación UV de 50-150 MJ/cm 2 en agua de alta calidad; y por lo tanto, desinfectar de manera eficiente los patógenos transmitidos Sin embargo, la materia orgánica disuelta, como la materia orgánica natural, ciertos solutos inorgánicos como el hierro, los sulfitos y los nitritos, y la materia suspendida (partículas o turbidez) absorberán la radiación UV o protegerán a los microbios de la radiación UV, lo que resulta en dosis UV administradas más bajas y microbianos reducidos. desinfección. Otra preocupación que rodea la desinfección de microbios con dosis más bajas de radiación UV es la capacidad de las bacterias y otros microbios celulares para reparar el daño inducido por UV y restaurar la patogenicidad, que es un fenómeno conocido como reactivación.
Los rayos UV inactivan los microbios principalmente alterando químicamente los ácidos nucleicos. Sin embargo, las lesiones químicas inducidas por UV pueden repararse mediante mecanismos enzimáticos celulares, algunas enzimas actúan independientemente de la luz (reparación oscura) y otras enzimas requieren luz visible (fotoreparación o fotorreactivación). Por lo tanto, lograr una desinfección UV óptima del agua requiere entregar una dosis UV suficiente para inducir mayores niveles de daño a los ácidos nucleicos; y con ello, superar los mecanismos de reparación del ADN.
Las unidades UV tienen una capacidad máxima de caudal y algunos equipos tienen caudales mínimos. Si el flujo es demasiado alto, el agua pasará sin suficiente exposición a los rayos UV. Si el flujo es demasiado bajo, puede acumularse calor que puede dañar la lámpara UV. No se debe colocar una unidad UV con requisitos de flujo mínimo en la línea de agua que suministre estaciones de presión en un sistema no recirculante. Las unidades UV se utilizan con mayor frecuencia en sistemas de flujo constante.
Las lámparas UV no se queman como lo hacen las lámparas fluorescentes normales. En cambio, las lámparas UV se solarizarán, lo que reduce su intensidad a aproximadamente 60% de una nueva lámpara después de aproximadamente un año de uso continuo. Cuando las lámparas son nuevas, generarán un nivel de dosificación cercano a los 60,000 µW-S/cm 2. Cuando la dosis desciende a 30,000 µW-S/cm 2, la dosis mínima necesaria para matar bacterias de manera efectiva, las lámparas deben ser reemplazadas. La vida útil de la lámpara se acortará significativamente si la lámpara se enciende y apaga con más frecuencia que una vez cada ocho horas.
El agua debe ser muestreada y evaluada para detectar recuentos de bacterias regularmente. Muestrea antes y después de la unidad UV para probar su desempeño. El agua también debe ser muestreada en la distribución ya que el rebrote bacteriano puede ocurrir aguas abajo de la unidad UV.
A medida que el agua pasa a través de la unidad UV, los minerales, escombros y otro material en el agua se depositarán en la manga de cuarzo o teflón. Esta actividad limitará la penetración de los rayos UV a través de la manga y en el agua. Para mantener una alta claridad, el vidrio alrededor de la lámpara debe limpiarse regularmente. La frecuencia de limpieza depende de la calidad del agua y será mínima con el tratamiento de RO aguas arriba.
Hay disponibles medidores de intensidad de luz UV que indican la penetración de la luz UV a través de la manga de vidrio y el agua. Baja intensidad significa que la dosis UV es demasiado baja para proporcionar una desinfección adecuada. Este medidor indicará cuándo es necesario limpiar o reemplazar la lámpara.
Ozono
El ozono es uno de los compuestos de tratamiento de agua más potentes disponibles para los administradores de sistemas en la actualidad. Es una tecnología que ha estado en continuo uso comercial por más de 100 años y tiene propiedades distintas que permiten la desinfección de corrientes de agua incluso muy comprometidas. Con la reautorización de 1996 de la Ley de Agua Potable Segura, el ozono fue nombrada como una de las mejores tecnologías disponibles para el cumplimiento del sistema de agua con el Reglamento Nacional de Agua Potable Primaria, supervisado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos.
El ozono (O3) se forma cuando las moléculas de oxígeno se exponen al flujo de electrones. Las moléculas de ozono son inestables y perderán el tercer átomo de oxígeno con el tiempo. El ozono es la caracterización de la formación:
- Los generadores de ozono proporcionan un flujo de electrones entre los tubos dieléctricos y SS
- El oxígeno pasa a través de la brecha entre los dieléctricos dando como resultado la generación de ozono
- El gas de alimentación de oxígeno debe estar seco y libre de partículas
- Los generadores de ozono deben enfriarse y el agua de refrigeración elimina el .90 por ciento del calor que se genera
El ozono es un poderoso oxidante con alta capacidad desinfectante. Residuos de ozono entre 0.3 a 2.0 mg/L inactivan virus. Las tasas de inactivación varían de >3.9-log a >6-log, y ocurren dentro de periodos de contacto muy cortos, 5 segundos. Los microorganismos en aguas naturales son muy sensibles al ozono. La giardia y los virus entéricos son inactivados por el ozono, como desinfectante primario, con 5 minutos de tiempo de contacto. Los residuos de ozono de 0.5 a 0.6 mg/L resultan en absorciones de 3 log y 4 log, respectivamente. Cuando se utiliza el ozono como tratamiento primario, los criterios para su uso se basan en residuos de ozono, demandas competitivas de ozono y un tiempo mínimo de contacto para cumplir con los requisitos requeridos de quiste e inactivación viral.
El ozono es el oxidante más fuerte y el desinfectante más fuerte disponible para el tratamiento del agua potable. Este material único se puede utilizar para una serie de aplicaciones específicas de tratamiento de agua, incluyendo desinfección, control de sabor y olor, eliminación de color, oxidación de hierro y manganeso, eliminación de sulfuro de hidrógeno, destrucción de nitrito y cianuro, oxidación de compuestos orgánicos como fenoles, pesticidas y algunos detergentes , destrucción y eliminación de algas, y como coadyuvante coagulante. A pesar de que el ozono es el desinfectante químico más fuerte disponible para el tratamiento del agua, algunos compuestos orgánicos refractarios no se oxidan o se oxidan demasiado lentamente. En tales casos, el ozono se puede combinar con radiación UV y/o peróxido de hidrógeno para producir radicales libres de hidroxilo, HO-, que es un oxidante más fuerte que el ozono molecular, O 3. La producción deliberada de radicales libres de hidroxilo a partir del ozono se ha denominado oxidación avanzada de ozono. Las aguas subterráneas contaminadas con disolventes orgánicos clorados y algunos hidrocarburos refractarios están siendo tratadas exitosamente con técnicas avanzadas de oxidación con ozono.
A temperatura ambiente, el ozono es un gas inestable, parcialmente soluble en agua; generalmente, más soluble que el oxígeno. Debido a su inestabilidad, el ozono vuelve rápidamente a oxígeno. El ozono no se puede producir en un sitio central de fabricación, embotellado, enviado y almacenado antes de su uso. Debe ser generado y aplicado in situ. La instalación de una planta de producción de ozono requiere el almacenamiento de oxígeno puro in situ como gas de alimentación. El ozono se genera para usos comerciales mediante descarga corona o radiación ultravioleta. La técnica UV produce bajas concentraciones de ozono, mientras que la descarga de corona produce concentraciones de ozono en el rango de 1 — 4.5% cuando se alimenta aire seco al generador de ozono. Cuando se utiliza oxígeno concentrado como gas de alimentación, se pueden producir concentraciones de ozono en fase gaseosa de hasta 14 a 18%. Dado que el ozono es solo parcialmente soluble en agua, una vez que se ha generado debe ponerse en contacto con el agua a tratar de tal manera que se maximice la transferencia de ozono de la fase gaseosa al agua. Para ello, se han desarrollado muchos tipos de contactores de ozono. Sin embargo, a medida que se emplean concentraciones más altas de gas ozono, los diseños de sistemas de contacto se vuelven más críticos debido a las menores relaciones de gas a líquido.
El uso de oxígeno como gas de alimentación puede resultar en la sobresaturación de oxígeno del agua tratada causando problemas operativos y corrosión en el sistema de distribución. Las opciones del sistema de contacto con ozono incluyen torres altas atmosféricas o procesos de transferencia de masa de gas a líquido Se pueden usar difusores de burbujas finas, mezcladores estáticos o inyectores venturi para mezclar el gas con el agua que se va a tratar en configuraciones de flujo completo o de corriente lateral. Una vez disuelto en el agua, el ozono está disponible para actuar sobre los contaminantes del agua para lograr sus propósitos previstos de desinfección y/o oxidación. A niveles de pH de 3-6, el ozono está presente principalmente en su forma molecular (O3). Sin embargo, a medida que aumenta el pH, la descomposición del ozono para producir el radical libre hidroxilo (HO-) se vuelve cada vez más rápida. A pH 7 alrededor del 50% del ozono transferido al agua produce HO-. A pH >10, la conversión de O 3 molecular a HO- es prácticamente instantánea.
Debido a que el ozono es un oxidante/desinfectante tan poderoso, el truco para aplicarlo para resolver los problemas de tratamiento del agua es hacerlo de una manera que sea efectiva para el tratamiento del agua, pero al mismo tiempo segura para las personas en los alrededores. Los problemas de seguridad del ozono se manejan fácilmente mediante el uso de monitoreo adecuado del ozono ambiental, ventilación del tanque y destrucción de ozono. En el caso de sistemas accionados únicamente por un sistema de bomba/inyector, el ozono puede producirse bajo vacío, lo que garantiza que no haya fugas de ozono al entorno operativo.
Los cinco componentes básicos de un sistema de ozono incluyen:
- Preparación de gas: ya sea gas de secado a un punto de rocío adecuado o usando concentradores de oxígeno
- Una fuente de alimentación eléctrica adecuada
- Un generador (es) de ozono de tamaño adecuado. Para la generación de ozono por descarga en corona, es fundamental alimentar al generador un gas limpio y seco que contenga oxígeno.
- Un sistema de contacto con ozono
Destrucción de gas residual de ozono o sistema de ventilación adecuado.
La humedad en el gas de alimentación causa dos problemas de funcionamiento:
- La cantidad de ozono producida por la aplicación de un determinado nivel de energía eléctrica disminuye a medida que aumenta la humedad relativa. En consecuencia, generalmente es rentable secar el aire a un punto de rocío recomendado de menos 65'C (-65'C o -76'F) o menos.
- El ozono generado usando aire en presencia de humedad permite que pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno reaccionen con la humedad para producir ácido nítrico. En este caso, la condensación de gas en las superficies de enfriamiento/transferencia de calor produce un compuesto corrosivo que puede causar problemas de corrosión en los equipos de generación de ozono con aumentos concomitantes en los requisitos de mantenimiento del equipo.
Debido a las altas cualidades oxidativas del ozono en fase gaseosa y la posibilidad de que la humedad de una unidad de gas de alimentación fallida, los administradores del sistema deben tener especial cuidado para asegurar que todos los componentes del generador de ozono, la línea de suministro de ozono, el gas ozono al equipo de transferencia de masa líquida y el recipiente de contacto sean ozono- compatibles.
Para los sistemas de ozono a gran escala, los equipos para limpiar y secar los gases de alimentación pueden llegar a ser bastante complejos. Por ejemplo, el secado efectivo al aire puede implicar múltiples etapas de tratamiento que incluyen filtración de aire, compresión, enfriamiento, desecación y filtración final antes de pasar a un generador de ozono de descarga corona operativo.
Existe la necesidad de un contacto eficiente con el ozono y la destrucción del exceso de ozono en los gases de salida del contactor. A falta de una unidad efectiva de destrucción de gases de escape de ozono, el exceso de ozono estaría presente para que las personas cercanas respiren, lo que no es recomendable debido a su fuerte naturaleza oxidante. Además, el ozono es más pesado que el aire ambiente y puede asentarse en las proximidades y atacar materiales oxidables. La destrucción del ozono del gas residual del contactor se logra fácilmente térmicamente (370'C), catalíticamente, térmico-catalíticamente, y haciendo pasar el gas de escape a través de carbón activado granular. Se debe tener cuidado en la selección de un método de destrucción de ozono siempre que se encuentren concentraciones muy altas de ozono.
El ozono es un proceso crítico para la purificación sin ósmosis inversa. Por lo general, se acopla con filtración biológica de carbón activado. El proceso reduce la TOC y los contaminantes químicos traza, elimina protozoos, mata virus y es una ayuda para la floculación. El tratamiento con ozono es un proceso de oxidación utilizado como desinfección y oxidante previo a la filtración biológica de carbón activado.
La instrumentación y los controles para garantizar un funcionamiento efectivo y seguro de los sistemas de ozono se ocupan de aplicar el ozono de manera efectiva y asequible. Los procesos del sistema controlan la generación de ozono, el uso de oxígeno, el secado, la inyección y difusión de ozono y la destrucción de ozono.
La instrumentación monitorea cada paso, y cada paso tiene una alarma asociada con el proceso.
Preguntas de revisión
- ¿Enumerar los factores que afectan la cloración del agua potable?
- Describir la desinfección como un proceso en el tratamiento del agua potable.
- ¿Cuál es el propósito de la cloraminación en el agua potable?
- ¿Cuál es la ozonización del agua potable?
- ¿Cómo afecta la luz UV a los microorganismos?
- Describir la razón principal por la que el cloro no se puede utilizar para la desinfección del agua potable en una instalación de agua potable en particular.
Cuestionario de capítulo
- ___________ es el proceso diseñado para matar o inactivar la mayoría de los microorganismos en el agua, incluyendo esencialmente todas las bacterias patógenas (causantes de enfermedades).
- Esterilización
- Tratamiento UV
- Aplicación de cloro
- Desinfección
- ¿Cuál de las enfermedades enumeradas no es causada por un organismo patógeno transportado por el agua?
- Ántrax gastrointestinal
- Shigelosis
- Polio
- Todas estas son enfermedades transmitidas por el agua
- Las reacciones químicas entre el cloro y las sustancias orgánicas e inorgánicas producen compuestos de cloro. El cloro reacciona con el agua y produce sustancias con propiedades desinfectantes. El total de los compuestos con propiedades desinfectantes más cualquier resto de cloro se conoce como ___________.
- Dosis de cloro
- Demanda de cloro
- Cloro libre
- Cloro residual
- ___________ es un gas que no forma compuestos cancerígenos como aquellos compuestos formados por la desinfección con cloro. Tampoco se ve afectado por el amoníaco, y es un desinfectante muy efectivo a niveles de pH más altos. También se utiliza para disminuir los problemas de sabor y olor en el sistema de distribución. Es especialmente útil en la inhibición de la Legionella.
- Cloraminación
- Dióxido de cloro
- Peróxido de hidrógeno
- Permanganato de potasio
- Debido a problemas de seguridad asociados con la dependencia de la cloración y mejoras en la tecnología ___________, ha experimentado una mayor aceptación en los sistemas municipales de agua. Dos sistemas están certificados y clasificados por la NSF bajo la Norma 55. El tipo de unidad depende de la situación de uso, fuente de agua y calidad del agua. La dosis se ve afectada por la claridad del agua. Cuando la turbidez es de 5 NTU o mayor y/o los sólidos suspendidos totales son mayores a 10 ppm, se recomienda altamente la prefiltración del agua. Es recomendable instalar un filtro de 5 a 20 micrones antes del sistema de desinfección.
- Ozono
- Cloraminación
- Luz ultravioleta
- Dióxido de cloro
- ___________ es el oxidante más fuerte y el desinfectante más fuerte disponible para el tratamiento del agua potable. Este material único se puede utilizar para aplicaciones específicas de tratamiento de agua, incluyendo desinfección, control de sabor y olor, eliminación de color, oxidación de hierro y manganeso, eliminación de sulfuro de hidrógeno, destrucción de nitrito y cianuro, oxidación de compuestos orgánicos como fenoles, pesticidas y algunos detergentes, algas destrucción y remoción, y como coadyuvante coagulante.
- Ozono
- Cloraminación
- Luz ultravioleta
- Dióxido de cloro
- Un problema importante con la desinfección usando ___________ es que el rebrote bacteriano puede ocurrir aguas abajo del sitio de aplicación en la distribución.
- Ozono
- Cloraminación
- Luz ultravioleta
- Tanto 2 como 3 son correctos
- Se utilizan varios factores para tomar una decisión sobre el uso de la desinfección ___________. Estos factores son la calidad del agua cruda, la capacidad de la planta de tratamiento para cumplir con diversas regulaciones, prácticas operativas y características del sistema de distribución.
- Ozono
- Cloraminación
- Luz ultravioleta
- Dióxido de cloro
- ___________ es un proceso crítico para la purificación no por ósmosis inversa. Por lo general, se acopla con filtración biológica de carbón activado. El proceso reduce la TOC y los contaminantes químicos traza, elimina protozoos, mata virus y es una ayuda para la floculación. Es un proceso de oxidación utilizado como desinfección y oxidante previo a la filtración biológica de carbón activado.
- Ozono
- Cloraminación
- Luz ultravioleta
- Dióxido de cloro
- ¿Cuál de los factores enumerados no influye en la desinfección del agua con cloro?
- pH
- Agentes reductores
- Dureza
- Temperatura