Tratamiento de aguas

El tratamiento del agua (o tratamiento del agua ) es el proceso de eliminación de sustancias químicas no deseadas, contaminantes biológicos, sólidos en suspensión y gases que contaminan el agua dulce . El resultado final del proceso de potabilización es agua potable apta para su uso en un fin específico. Dependiendo del propósito del tratamiento del agua, se utilizan otros términos: tratamiento de agua y tratamiento de aguas residuales . El agua se limpia y desinfecta más a fondo en la preparación para el uso humano para las necesidades domésticas ( agua potable ). Además, el tratamiento del agua se puede realizar para otros fines que cumplan con otros requisitos, por ejemplo, para fines médicos o para uso en industrias farmacéuticas , químicas u otras . En general, el proceso tecnológico utilizado para purificar el agua incluye métodos físicos ( filtración , sedimentación , ósmosis inversa , destilación ), métodos biológicos (organismos comedores de basura), métodos químicos ( floculación , intercambio iónico , cloración y el uso de radiación electromagnética , como la radiación ultravioleta ).

Propósito

Según un informe de la Organización Mundial de la Salud , en 2007, 1.100 millones de personas no tenían acceso a fuentes de agua mejoradas , y de los 4.000 millones de casos de diarrea  , el 88% fueron causados ​​por agua insalubre y saneamiento e higiene inadecuados . Además, según los expertos de la OMS , anualmente mueren 1,8 millones de personas por enfermedades diarreicas, de las cuales en el 94% de los casos el desarrollo de la diarrea se puede prevenir cambiando las condiciones ambientales, incluido el acceso a agua segura (purificada y preparada) [1] .

El uso de métodos relativamente sencillos de potabilización y preparación de agua potable para uso doméstico, como la cloración , el uso de filtros de agua, la desinfección por luz solar ( UVR ), así como el almacenamiento de los suministros de agua potable en recipientes seguros, podría ahorrar una gran número de vidas humanas cada año [2] . Así, el objetivo principal de las organizaciones de salud en los países en desarrollo es reducir el número de muertes por enfermedades causadas por el uso de agua potable de mala calidad.

Historia

Los primeros experimentos sobre la filtración de agua se realizaron en el siglo XVII. Sir Francis Bacon intentó desalinizar el agua de mar pasándola por un filtro de arena. Aunque su experimento no tuvo éxito, inició un nuevo interés en esta área. Los padres de la microscopía , Anthony van Leeuwenhoek y Robert Hooke , utilizaron el microscopio recién inventado para observar por primera vez pequeñas partículas de material que yacían suspendidas en el agua, sentando las bases para la comprensión futura de los patógenos transmitidos por el agua [3] .

Filtro de arena

El primer uso documentado de filtros de arena para la purificación del agua se remonta a 1804, cuando el propietario de una grada en Paisley , Escocia , John Gibb, instaló un filtro experimental y vendió su excedente no deseado al público [4] . Este método fue perfeccionado durante las próximas dos décadas por ingenieros que trabajaban para compañías de agua privadas y culminó en el primer suministro público de agua purificada del mundo, instalado por el ingeniero James Simpson para Chelsea Waterworks Company en Londres en 1829, y el diseño de la red fue ampliamente copiado en toda Gran Bretaña en las décadas siguientes [5] .

La práctica del tratamiento del agua pronto se aceptó y generalizó, y los méritos del sistema quedaron muy claros gracias a la investigación del médico John Snow durante el brote de cólera de 1854 en Broad Street . Snow se mostró escéptico sobre la teoría del miasma entonces dominante , que sostenía que las enfermedades eran causadas por el "mal aire" venenoso. Aunque la teoría de los gérmenes de la enfermedad aún no se había desarrollado, las observaciones de Snow lo llevaron a rechazar la teoría prevaleciente. Su ensayo de 1855 "Sobre el modo de transmisión del cólera" demostró de manera convincente el papel del suministro de agua en la propagación de la epidemia de cólera en Soho [6] [7] usando un mapa de distribución punteado y evidencia estadística para ilustrar la relación entre la calidad de la fuente de agua y incidencia del cólera. Sus hallazgos convencieron al consejo local de apagar la bomba de agua, poniendo fin rápidamente al brote.

La Ley Metropolitana del Agua introdujo por primera vez la regulación de las compañías de agua en Londres , incluidos los estándares mínimos de calidad del agua. La ley "dispuso la provisión de un suministro de agua limpia y saludable para la Metrópolis" y requirió que toda el agua fuera "eficazmente filtrada" a partir del 31 de diciembre de 1855. [8] A esto le siguió la legislación para la prueba obligatoria de la calidad del agua. , incluidos análisis químicos completos, en 1858. Esta ley sentó un precedente mundial para intervenciones de salud pública similares en toda Europa. La Comisión de Alcantarillado Metropolitano también se formó al mismo tiempo, se adoptó la filtración de agua en todo el país y se instalaron nuevas tomas de agua en el Támesis sobre Teddington Lock . Los filtros de presión automáticos, en los que se suministra agua a presión a través de un sistema de filtración, se inventaron en 1899 en Inglaterra.

Cloración del agua

John Snow fue el primero en usar cloro con éxito para desinfectar los suministros de agua en Soho, lo que ayudó a propagar el brote de cólera. William Soper también usó cal clorada para tratar las aguas residuales producidas por pacientes con fiebre tifoidea en 1879.

En un artículo publicado en 1894, Moritz Traube propuso oficialmente agregar cloruro de cal ( hipoclorito de calcio ) al agua para hacerla "libre de gérmenes". Otros dos investigadores confirmaron las conclusiones de Traube y publicaron su trabajo en 1895 [9] . Los primeros intentos de introducir la cloración del agua en las plantas de tratamiento de aguas residuales se realizaron en 1893 en Hamburgo , Alemania , y en 1897 la ciudad de Maidstone , Inglaterra , fue la primera en tratar todo su suministro de agua con cloro [10] .

La cloración constante del agua comenzó en 1905, cuando un filtro de arena lento y defectuoso y una plomería contaminada provocaron una grave epidemia de fiebre tifoidea en Lincoln, Inglaterra [11] . El Dr. Alexander Cruikshank Houston usó la cloración del agua para detener la epidemia. Su instalación suministró una solución concentrada de cloruro de cal al agua tratada. La cloración del agua ayudó a detener la epidemia y, como medida de precaución, la cloración continuó hasta 1911, cuando se introdujo un nuevo suministro de agua [12] .

El primer uso continuo de cloro en los Estados Unidos para la desinfección tuvo lugar en 1908 en Boonton Reservoir (en el río Rockaway), que servía como fuente de suministro para Jersey City , Nueva Jersey [13] . La cloración se lograba mediante adiciones controladas de soluciones diluidas de cloruro de cal (hipoclorito de calcio) en dosis que oscilaban entre 0,2 y 0,35 ppm. El proceso de tratamiento fue concebido por el Dr. John L. Leal y la planta de cloro fue diseñada por George Warren Fuller [14] . En los años siguientes, la desinfección con cloro mediante cloruro de cal se introdujo rápidamente en los sistemas de agua potable de todo el mundo [15] .

El método de purificación de agua potable utilizando gas de cloro licuado comprimido fue desarrollado por el oficial médico indio británico Vincent B. Nesfield en 1903. Su cuenta decía:

Se me ocurrió que el cloro gaseoso podría considerarse satisfactorio... si se encontraran los medios adecuados para su uso... La siguiente pregunta importante era cómo hacer que el gas fuera portátil. Esto se podía hacer de dos formas: licuándolo y almacenándolo en recipientes de hierro revestidos de plomo, provistos de un chorro con un canal capilar muy delgado y provistos de un grifo o tapón de rosca. Se abre el grifo y se coloca la cantidad necesaria de agua en el cilindro. El cloro burbujea y después de diez a quince minutos el agua es completamente segura. Este método sería útil a gran escala, así como para los carros de agua de servicio [16] .

El Mayor del Ejército de los EE. UU. Carl Rogers Darnall, profesor de química en la Escuela Médica Militar, demostró esto por primera vez en la práctica en 1910. Poco tiempo después, el Mayor William L. Leister del Departamento Médico del Ejército usó una solución de hipoclorito de calcio en una bolsa de lino para tratar el agua. Durante muchas décadas, el método Lister siguió siendo el estándar para el Ejército de los EE. UU. en el campo y en los campamentos, implementado en la forma de la familiar bolsa Lister (también deletreada bolsa Lister). Este trabajo formó la base de los modernos sistemas de tratamiento de aguas urbanas.

Purificación

Preprocesamiento

  1. Bombeo y retención: la mayor parte del agua debe bombearse desde la fuente o dirigirse a tuberías o tanques. Para evitar agregar contaminantes al agua, esta infraestructura física debe estar hecha de materiales apropiados y construida de tal manera que no ocurra una contaminación accidental.
  2. El primer paso en el tratamiento de aguas superficiales es eliminar los desechos grandes, como palos, hojas, desechos y otras partículas grandes que pueden interferir con los pasos de tratamiento posteriores. No es necesario filtrar la mayoría de las aguas subterráneas profundas antes de otros pasos de tratamiento.
  3. Almacenamiento: el agua de los ríos también se puede almacenar en embalses costeros por períodos que van desde unos pocos días hasta muchos meses para permitir el tratamiento biológico natural. Esto es especialmente importante si el procesamiento se realiza con filtros de arena lentos . Los embalses también actúan como amortiguadores contra breves períodos de sequía o permiten mantener el agua durante incidentes temporales de contaminación en el río de origen.
  4. Precloración: muchas plantas tienen agua de entrada clorada para minimizar el crecimiento de organismos contaminantes en tuberías y tanques. Debido al posible impacto adverso en la calidad, esto se ha interrumpido en gran medida [17] .
Ajuste de pH

El agua pura tiene un pH cercano a 7 (ni alcalino ni ácido ). El agua de mar puede tener valores de pH que oscilan entre 7,5 y 8,4 (moderadamente alcalino). El agua dulce puede tener un amplio rango de valores de pH dependiendo de la geología de la cuenca o acuífero y la influencia de los aportes contaminantes ( lluvia ácida ). Si el agua es ácida (menos de 7), se puede agregar cal , carbonato de sodio o hidróxido de sodio para elevar el pH en el proceso de purificación del agua . La adición de cal aumenta la concentración de iones de calcio, aumentando así la dureza del agua. Para aguas muy ácidas, los desgasificadores de tiro forzado pueden ser una forma efectiva de elevar el pH al eliminar el dióxido de carbono disuelto del agua [18] . Hacer agua alcalina ayuda a que los procesos de coagulación y floculación funcionen de manera eficiente y ayuda a minimizar el riesgo de disolución del plomo de las tuberías de plomo y soldadura de plomo en los accesorios de las tuberías. Una alcalinidad suficiente también reduce la resistencia a la corrosión del agua a las tuberías de hierro. Se puede agregar ácido ( ácido carbónico , ácido clorhídrico o ácido sulfúrico ) a las aguas alcalinas en algunos casos para bajar el pH. El agua alcalina (por encima de pH 7.0) no significa necesariamente que el plomo o el cobre del sistema de plomería no se disolverán en el agua. La capacidad del agua para precipitar el carbonato de calcio para proteger las superficies metálicas y reducir la posibilidad de disolver metales tóxicos en el agua depende del pH, el contenido de minerales, la temperatura, la alcalinidad y la concentración de calcio [19] .

Coagulación y floculación

Uno de los primeros pasos en la mayoría de los procesos de tratamiento de agua tradicionales es la adición de productos químicos para ayudar a eliminar las partículas suspendidas en el agua. Las partículas pueden ser inorgánicas como arcilla y limo u orgánicas como algas , bacterias , virus , protozoos y materia orgánica natural . Las partículas inorgánicas y orgánicas contribuyen a la turbidez y el color del agua.

La adición de coagulantes inorgánicos como el sulfato de aluminio (o alumbre ) o sales de hierro (III) como el cloruro de hierro (III) provoca varias interacciones químicas y físicas simultáneas en y entre las partículas. En unos pocos segundos, las cargas negativas de las partículas son neutralizadas por coagulantes inorgánicos. Además, en unos pocos segundos, comienza a formarse la precipitación de hidróxido metálico a partir de iones de hierro y aluminio. Estos precipitados se unen en partículas más grandes a través de procesos naturales como el movimiento browniano y la mezcla inducida, a veces denominada floculación. Los hidróxidos de metales amorfos se conocen como "flock". Los hidróxidos gruesos amorfos de aluminio y hierro (III) adsorben y enredan partículas en suspensión y facilitan la eliminación de partículas mediante procesos posteriores de precipitación y filtración [20] .

Los hidróxidos de aluminio se forman en un rango de pH bastante estrecho, normalmente de 5,5 a 7,7. Los hidróxidos de hierro (III) se pueden formar en un rango de pH más amplio, incluidos niveles de pH más bajos que los efectivos para el alumbre, típicamente de 5,0 a 8,5.

Hay mucho debate y confusión en la literatura sobre el uso de los términos coagulación y floculación: ¿dónde termina la coagulación y comienza la floculación? Las plantas de tratamiento de agua suelen utilizar un proceso de mezcla rápido y de alta energía (tiempo de espera en segundos) en el que se agregan productos químicos coagulantes, seguido de tanques de floculación (los tiempos de espera oscilan entre 15 y 45 minutos), donde las entradas de baja energía hacen girar paletas grandes u otros materiales blandos. dispositivos de mezcla para mejorar la formación de copos. De hecho, los procesos de coagulación y floculación continúan después de la adición de coagulantes de sales metálicas [21] .

Los polímeros orgánicos se desarrollaron en la década de 1960 como coadyuvantes de coagulación y, en algunos casos, como sustitutos de los coagulantes de sales metálicas inorgánicas. Los polímeros orgánicos sintéticos son compuestos de alto peso molecular que tienen cargas negativas, positivas o neutras. Cuando se agregan polímeros orgánicos al agua con partículas, los compuestos de alto peso molecular se adsorben en la superficie de las partículas y se fusionan con otras partículas a través de puentes entre partículas, formando flóculos. PolyDADMAC es un polímero orgánico catiónico (cargado positivamente) popular que se usa en las plantas de tratamiento de agua [22] .

Sedimentación

El agua que sale de la cuenca de floculación puede entrar en una cuenca de sedimentación, también llamada clarificador o cuenca de sedimentación. Este es un tanque grande con bajas velocidades de agua, lo que permite que los copos se asienten en el fondo. La cuenca de sedimentación se ubica mejor cerca de la cuenca de floculación, de modo que el tránsito entre los dos procesos no permita el asentamiento o la ruptura de los flóculos. Las cuencas sedimentarias pueden ser rectangulares, donde el agua fluye de un extremo a otro, o circulares, donde el flujo es del centro hacia afuera. El desagüe de la cuenca sedimentaria generalmente pasa a través de la presa, por lo que solo sale una fina capa superior de agua, la más alejada del limo.

En 1904, Allen Hazen demostró que la eficiencia del proceso de sedimentación depende de la tasa de sedimentación de las partículas, el flujo a través del tanque y el área superficial del tanque. Los sumideros suelen estar diseñados para tasas de desbordamiento de 0,5 a 1,0 galones por minuto por pie cuadrado (o 1,25 a 2,5 litros por metro cuadrado por hora). Como regla general, la eficiencia de una piscina de sedimentación es independiente del tiempo de retención o la profundidad de la piscina. Aunque la profundidad de la piscina debe ser suficiente para que los flujos de agua no perturben el limo y no contribuyan a la interacción de las partículas sedimentadas. A medida que aumenta la concentración de partículas en el agua sedimentada cerca de la superficie del sedimento en el fondo del tanque, la tasa de sedimentación puede aumentar debido a las colisiones y aglomeraciones de partículas. El tiempo de demora típico para la sedimentación varía de 1,5 a 4 horas, y la profundidad de la cuenca es de 10 a 15 pies (3 a 4,5 metros) [20] [21] [22] .

Se pueden agregar placas o tubos planos inclinados a los clarificadores tradicionales para mejorar el rendimiento de eliminación de partículas. Las placas y los tubos inclinados aumentan drásticamente el área de superficie disponible para la eliminación de partículas, de acuerdo con la teoría original de Hazen. La superficie terrestre ocupada por una cuenca sedimentaria con placas o caños inclinados puede ser mucho menor que en una cuenca sedimentaria convencional.

Almacenamiento y eliminación de lodos

A medida que las partículas se asientan en el fondo del sumidero, se forma una capa de lodo en el fondo del tanque , que debe eliminarse y tratarse. La cantidad de lodo que se forma es significativa, a menudo del 3 al 5 por ciento del volumen total de agua a tratar. Los costos de tratamiento y eliminación de lodos pueden afectar los costos operativos de una planta de tratamiento de agua. El sumidero se puede equipar con dispositivos mecánicos de limpieza que limpian continuamente el fondo del sumidero, o la piscina se puede poner fuera de servicio periódicamente y limpiarse manualmente.

Clarificadores floculantes

Una subcategoría de la sedimentación es la eliminación de sólidos al atrapar flóculos suspendidos en el lecho a medida que el agua es empujada hacia arriba. La principal ventaja de los clarificadores floculantes es que ocupan menos espacio que los clarificadores convencionales. Las desventajas son que la eficiencia de eliminación de partículas puede variar mucho según el cambio en la calidad del agua de suministro y el caudal del agua de suministro.

Flotación por aire disuelto

Cuando las partículas que se van a eliminar no se separan fácilmente de la solución, a menudo se utiliza la flotación por aire disuelto (DAF). Después de los procesos de coagulación y floculación, el agua ingresa a los tanques DAF, donde los difusores de aire en el fondo del tanque crean pequeñas burbujas que se adhieren a los copos, formando una masa flotante de copos concentrados. El manto de escamas flotantes se retira de la superficie y el agua clarificada se drena del fondo del tanque DAF. Las fuentes de agua que son particularmente vulnerables a la proliferación de algas unicelulares, así como las fuentes con baja turbidez y alta coloración, a menudo usan DAF.

Filtrado

Después de separar la mayoría de los flóculos, el agua se filtra como paso final para eliminar las partículas suspendidas restantes y los flóculos no sedimentados.

Filtros rápidos de arena

El tipo de filtro más común es el filtro rápido de arena. El agua se mueve verticalmente a través de la arena, que a menudo tiene una capa de carbón activado o antracita sobre la arena. La capa superior elimina los compuestos orgánicos que contribuyen al sabor y al olfato. El espacio entre las partículas de arena es mayor que el de las partículas suspendidas más pequeñas, por lo que la filtración simple no es suficiente. La mayoría de las partículas pasan a través de las capas superficiales pero quedan atrapadas en los espacios porosos o se adhieren a las partículas de arena. La filtración efectiva se extiende hasta la profundidad del filtro. Esta propiedad del filtro es clave para su funcionamiento: si la capa superior de arena bloqueara todas las partículas, el filtro se obstruiría rápidamente [23] .

Para limpiar el filtro, el agua se fuerza rápidamente hacia arriba a través del filtro, en dirección opuesta a la dirección normal (llamado retrolavado), para eliminar las partículas incrustadas o no deseadas. Antes de este paso, se puede soplar aire comprimido a través de la parte inferior del filtro para romper el medio filtrante empaquetado para ayudar al proceso de retrolavado; esto se llama purificación del aire. Esta agua contaminada puede eliminarse junto con el lodo del sumidero o reciclarse mezclándola con el agua cruda que ingresa a la planta, aunque esto a menudo se considera una mala práctica porque reintroduce una mayor concentración de bacterias en el agua cruda.

Algunas plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan filtros de presión. Funcionan según el mismo principio que los filtros de gravedad rápidos, con la diferencia de que el medio filtrante está encerrado en un recipiente de acero y el agua es forzada a través de él bajo presión.

ventajas:

  • Filtra partículas mucho más finas que los filtros de papel y arena.
  • Filtra prácticamente todas las partículas más grandes que el tamaño de poro especificado.
  • Son bastante delgados y, por lo tanto, los líquidos fluyen a través de ellos con bastante rapidez.
  • Son lo suficientemente fuertes y, por lo tanto, pueden soportar caídas de presión en ellos, generalmente de 2 a 5 atmósferas.
  • Se pueden limpiar (lavar hacia atrás) y reutilizar.
Filtros lentos de arena

Los filtros de arena lentos se pueden usar donde hay suficiente terreno y espacio, ya que el agua fluye muy lentamente a través de los filtros. Estos filtros se basan en procesos de purificación biológica para su funcionamiento en lugar de la filtración física. Se construyen cuidadosamente utilizando capas graduadas de arena, con la arena más gruesa junto con un poco de grava en el fondo y la arena más fina en la parte superior. Drenajes en la base drenan agua purificada para desinfección. La filtración depende del desarrollo de una fina capa biológica llamada capa zoogleal en la superficie del filtro. Un filtro de arena lento eficiente puede permanecer en servicio durante muchas semanas o incluso meses si el pretratamiento está bien diseñado y produce agua con niveles muy bajos de nutrientes disponibles, que los tratamientos físicos rara vez logran. Los niveles muy bajos de nutrientes permiten que el agua pase de manera segura a través de los sistemas de distribución con niveles muy bajos de desinfectantes, lo que reduce la molestia del consumidor con niveles agresivos de cloro y subproductos del cloro. Los filtros de arena lentos no se devuelven; son mantenidos por la capa superior de arena que se raspa cuando el flujo finalmente se bloquea por el crecimiento biológico [24] .

Una forma específica "a gran escala" de filtro lento de arena es el proceso de filtración de bancos, que utiliza sedimentos naturales en la orilla de un río para proporcionar la primera etapa de filtración de contaminantes. Aunque generalmente no es lo suficientemente pura para uso directo como agua potable, el agua obtenida de pozos de producción apropiados es mucho menos problemática que el agua de río extraída directamente de un río.

Filtración por membranas

Los filtros de membrana son ampliamente utilizados para filtrar tanto agua potable como aguas residuales . Para el agua potable, los filtros de membrana pueden eliminar prácticamente todas las partículas de más de 0,2 µm, incluidas Giardia y Cryptosporidium . Los filtros de membrana son una forma eficaz de tratamiento terciario cuando es necesario reutilizar el agua para la industria, para fines domésticos limitados o antes de descargarla en un río que utilizan las ciudades río abajo. Son muy utilizados en la industria, especialmente para la preparación de bebidas (incluida el agua embotellada ). Sin embargo, ninguna cantidad de filtración puede eliminar sustancias que en realidad están disueltas en el agua, como fosfatos , nitratos e iones de metales pesados .

Eliminación de iones y otros solutos

Las membranas de ultrafiltración utilizan membranas poliméricas con poros microscópicos formados químicamente que pueden usarse para filtrar solutos y evitar el uso de coagulantes. El tipo de medio de membrana determina cuánta presión se necesita para hacer pasar el agua y qué tamaños de microorganismos se pueden filtrar.

Intercambio de iones [25] : Los sistemas de intercambio de iones utilizan columnas con resina de intercambio de iones o zeolita para reemplazar los iones no deseados. El caso más común es el ablandamiento del agua, que consiste en eliminar los iones Ca2+ y Mg2+ , reemplazándolos con iones benignos (jabonosos) Na+ o K+ . Las resinas de intercambio iónico también se utilizan para eliminar iones tóxicos como nitrito , plomo , mercurio , arsénico y muchos otros.

Ablandamiento por precipitación: El agua dura (alta en iones de calcio y magnesio) se trata con cal ( óxido de calcio ) y/o carbonato de sodio (carbonato de sodio ) para precipitar el carbonato de calcio fuera de la solución utilizando el efecto de iones comunes.

Electrodeionización [25] : El agua pasa entre los electrodos positivo y negativo . Las membranas de intercambio iónico permiten que solo los iones positivos migren del agua purificada al electrodo negativo y solo los iones negativos al electrodo positivo. Se produce continuamente agua desionizada de alta pureza, similar al tratamiento de intercambio iónico. La eliminación completa de iones del agua es posible en las condiciones adecuadas. El agua generalmente se trata previamente con una planta de ósmosis inversa (OI) para eliminar los contaminantes orgánicos no iónicos y membranas de transferencia de gas para eliminar el dióxido de carbono. La recuperación de agua del 99% es posible si el flujo de concentrado se alimenta a la entrada de RO.

Desinfección

La desinfección se lleva a cabo filtrando los microorganismos nocivos y añadiendo productos químicos desinfectantes. El agua se desinfecta para matar cualquier patógeno que pase a través de los filtros y proporcionar una dosis residual de desinfectante para matar o inactivar microorganismos potencialmente dañinos en los sistemas de almacenamiento y distribución. Los patógenos potenciales incluyen virus , bacterias como Salmonella , Cólera , Campylobacter y Shigella , y protozoos como Giardia y otros cryptosporidium . Después de la administración de cualquier desinfectante químico, el agua generalmente se mantiene en almacenamiento temporal, a menudo llamado tanque de contacto o pozo claro, para permitir que se complete la acción desinfectante.

Desinfección con cloro

El método de desinfección más común implica alguna forma de cloro o sus compuestos, como la cloramina o el dióxido de cloro . El cloro es un agente oxidante fuerte que mata rápidamente muchos microorganismos dañinos. Debido a que el cloro es un gas tóxico, existe un riesgo de liberación asociado con su uso. Este problema se puede evitar con hipoclorito de sodio , que es una solución relativamente económica que se usa en la lejía doméstica y que libera cloro libre cuando se disuelve en agua. Las soluciones de cloro se pueden obtener in situ mediante electrólisis de soluciones de sal común. La forma sólida, el hipoclorito de calcio , libera cloro al contacto con el agua. Sin embargo, el manejo de sólidos requiere un contacto humano más convencional a través de la apertura de bolsas y el vertido que el uso de botellas de gas o lejía, que son más fáciles de automatizar. Producir hipoclorito de sodio líquido es económico y también más seguro que usar gas o cloro sólido. Los niveles de cloro de hasta 4 miligramos por litro (4 partes por millón) se consideran seguros en el agua potable [26] .

Todas las formas de cloro son ampliamente utilizadas a pesar de sus respectivas desventajas. Una desventaja es que el cloro de cualquier fuente reaccionará con los compuestos orgánicos naturales en el agua, formando subproductos químicos potencialmente dañinos. Estos subproductos, trihalometanos (THM) y ácidos haloacéticos (HAA), son cancerígenos en grandes cantidades y están regulados por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU. y la Inspección de Agua Potable del Reino Unido. La formación de THM y ácidos haloacéticos se puede minimizar eliminando de manera efectiva la mayor cantidad posible de materia orgánica del agua antes de agregar cloro. Si bien el cloro es efectivo para matar bacterias, tiene una efectividad limitada contra los protozoos patógenos que forman quistes en el agua, como la giardia y el cryptosporidium.

Desinfección con dióxido de cloro

El dióxido de cloro es un desinfectante de acción más rápida que el cloro elemental . Se usa con relativa poca frecuencia porque en algunos casos puede formar cantidades excesivas de clorito, que es un subproducto regulado a niveles bajos aceptables en los Estados Unidos. El dióxido de cloro puede suministrarse como una solución acuosa y agregarse al agua para evitar problemas de manejo del gas; las acumulaciones de gas de dióxido de cloro pueden detonar espontáneamente.

Cloración

El uso de cloramina es cada vez más común como desinfectante. Si bien no es un agente oxidante tan fuerte, la cloramina proporciona un residuo más prolongado que el cloro libre debido a su menor potencial redox en comparación con el cloro libre. Tampoco forma fácilmente THM o ácidos haloacéticos (subproductos de la desinfección).

Es posible convertir el cloro en cloramina agregando amoníaco al agua después de agregar cloro. El cloro y el amoníaco reaccionan para formar cloramina. Los sistemas de distribución de agua desinfectados con cloraminas pueden sufrir nitrificación , ya que el amoníaco es un nutriente para el crecimiento bacteriano y el nitrato se forma como subproducto.

Desinfección con ozono

El ozono  es una molécula inestable que fácilmente dona un átomo de oxígeno, proporcionando un poderoso agente oxidante que es tóxico para la mayoría de la vida acuática. Es un desinfectante muy fuerte de amplio espectro que es muy utilizado en Europa y en varios municipios de Estados Unidos y Canadá. La desinfección con ozono, u ozonización, es un método eficaz para inactivar los protozoos formadores de quistes nocivos. También funciona bien contra casi todos los demás patógenos [27] . El ozono se forma cuando el oxígeno pasa a través de la luz ultravioleta o una descarga eléctrica "fría".

Para usar ozono como desinfectante, debe crearse en el sitio y agregarse al agua por contacto con burbujas. Algunos de los beneficios del ozono incluyen la producción de menos subproductos peligrosos y la ausencia de problemas de sabor y olor (en comparación con la cloración ). No queda ozono residual en el agua. En ausencia de desinfectante residual en el agua, se puede agregar cloro o cloramina en todo el sistema de distribución para eliminar cualquier posible patógeno en la tubería de distribución.

El ozono se ha utilizado en plantas de agua potable desde 1906, cuando se construyó la primera planta comercial de ozonización en Niza , Francia . El ozono ha sido declarado seguro por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos y se utiliza como agente antimicrobiano en la manipulación, el almacenamiento y el procesamiento de alimentos. Sin embargo, aunque la ozonización produce menos subproductos, se ha descubierto que el ozono reacciona con los iones de bromuro en el agua para formar concentraciones del supuesto carcinógeno bromato . El bromuro se puede encontrar en el agua dulce en concentraciones suficientes para producir (después de la ozonización) más de 10 partes por billón (ppb) de bromato, el nivel máximo de contaminación establecido por la USEPA [28] . La desinfección con ozono también consume mucha energía.

Desinfección UV

La luz ultravioleta (UV) es muy efectiva para inactivar quistes en agua con baja turbidez. La eficacia de la descontaminación con luz ultravioleta disminuye a medida que aumenta la turbidez como resultado de la absorción , la dispersión y las sombras causadas por los sólidos en suspensión. La principal desventaja de usar UV es que, al igual que el tratamiento con ozono, no deja desinfectante residual en el agua; por lo tanto, a veces es necesario agregar un desinfectante residual después del proceso de desinfección primaria. Esto a menudo se hace agregando cloraminas, discutidas anteriormente como el desinfectante principal. Cuando se usan de esta manera, las cloraminas proporcionan un desinfectante residual eficaz con muy pocos efectos negativos de la cloración.

Más de 2 millones de personas en 28 países en desarrollo utilizan la desinfección solar para limpiar su agua potable diariamente [29] .

Radiación ionizante

Al igual que los rayos UV, las radiaciones ionizantes (rayos X, gamma y electrones) se utilizan para esterilizar el agua.

Bromación y yodación

El bromo y el yodo también se pueden usar como desinfectantes. Sin embargo, el cloro en el agua es más de tres veces más eficaz como desinfectante de E. coli que la concentración equivalente de bromo, y más de seis veces más eficaz que la concentración equivalente de yodo [30] . El yodo se usa comúnmente para la purificación de agua portátil, mientras que el bromo se usa como desinfectante para piscinas.

Purificación de agua portátil

Los dispositivos y métodos portátiles de purificación de agua están disponibles para la desinfección y el tratamiento en emergencias o lugares remotos. La desinfección es el objetivo principal porque las consideraciones estéticas como el sabor, el olor, la apariencia y los rastros de contaminación química no afectan la seguridad a corto plazo del agua potable.

Opciones de procesamiento adicionales

  1. Fluoración del agua : en muchas áreas , se agrega fluoruro al agua para prevenir la caries dental [31] . El flúor generalmente se agrega después del proceso de desinfección. En los EE. UU., la fluoración generalmente se lleva a cabo agregando ácido hexafluorosilícico [32] , que se descompone en agua para formar iones de flúor [33] .
  2. Acondicionamiento del agua: Este es un método para reducir el impacto del agua dura. En los sistemas de agua sujetos a calentamiento, las sales de dureza pueden precipitar, ya que la descomposición de los iones de bicarbonato produce iones de carbonato, que precipitan fuera de la solución. El agua con una alta concentración de sales de dureza se puede tratar con carbonato de sodio (carbonato de sodio), que precipita el exceso de sales por efecto de los iones comunes, produciendo carbonato de calcio de muy alta pureza. El carbonato de calcio precipitado se vende tradicionalmente a los fabricantes de pasta de dientes . Se ha afirmado que algunos otros métodos de tratamiento de agua industrial y residencial (sin aceptación científica generalmente aceptada) implican el uso de campos magnéticos y/o eléctricos para reducir los efectos del agua dura [34] .
  3. Disminución de la solubilidad del plomo: en áreas con aguas naturalmente ácidas de baja conductividad (p. ej., precipitación superficial en altas montañas de rocas ígneas), el agua puede disolver el plomo de cualquier tubería de plomo que lo transporte. La adición de pequeñas cantidades de ion fosfato y un ligero aumento del pH contribuyen a una disminución significativa de la solubilidad del plomo debido a la formación de sales de plomo insolubles en las superficies internas de las tuberías.
  4. Eliminación de radio: algunas fuentes subterráneas contienen radio , un elemento químico radiactivo. Los manantiales típicos incluyen muchos manantiales de agua subterránea al norte del río Illinois en Illinois , EE.UU. El radio se puede eliminar mediante intercambio iónico o acondicionamiento del agua. Sin embargo, el retrolavado o precipitado resultante es un desecho radiactivo de bajo nivel .
  5. Eliminación de fluoruro: Aunque se agrega fluoruro al agua en muchas áreas, en algunas partes del mundo se encuentra que el fluoruro natural es excesivo en las fuentes de agua. Los niveles excesivos pueden ser tóxicos o causar efectos cosméticos no deseados, como manchas en los dientes. Los métodos para reducir los niveles de fluoruro incluyen el tratamiento con alúmina activada y la carbonización ósea del medio filtrante.
  6. Eliminación de hierro. El indicador más importante de la corrosividad del agua es el contenido de oxígeno disuelto en ella [35] . La eliminación de hierro se lleva a cabo por aireación del agua. La tasa de oxidación de iones Fe2+ en agua durante el burbujeo de aire está determinada por las tasas de dos procesos paralelos: un proceso homogéneo de oxidación por oxígeno disuelto en agua y un proceso heterogéneo de oxidación de iones Fe2+ en la interfase agua-aire [36] .

Otros métodos de purificación de agua

A continuación se enumeran otros métodos populares de tratamiento de agua, especialmente para fuentes privadas locales. En algunos países, algunos de estos métodos también se utilizan para entregas municipales a gran escala. Son especialmente importantes la destilación (desalinización del agua de mar) y la ósmosis inversa.

  1. Hervir : Llevar el agua al punto de ebullición (alrededor de 100°C o 212°F al nivel del mar) es el método más antiguo y efectivo, ya que elimina la mayoría de los microbios que causan enfermedades intestinales , pero no puede eliminar las toxinas o impurezas químicas [37] . Para la salud humana, no se requiere una esterilización completa del agua , ya que los microbios resistentes al calor no afectan los intestinos [38] . El consejo tradicional es hervir el agua durante diez minutos, principalmente para mayor seguridad, ya que los gérmenes comienzan a eliminarse por encima de los 60 °C (140 °F). Aunque el punto de ebullición disminuye con el aumento de la altitud, esto no es suficiente para afectar el proceso de desinfección [39] . En áreas donde el agua es "dura" (es decir, contiene una cantidad significativa de sales de calcio disueltas), la ebullición descompone los iones de bicarbonato , lo que da como resultado una precipitación parcial como carbonato de calcio . Este es el "pelo" que se acumula en los elementos del hervidor, etc. en áreas de agua dura. Con la excepción del calcio, la ebullición no elimina los solutos con un punto de ebullición más alto que el del agua y, de hecho, aumenta su concentración (debido a que parte del agua se pierde en forma de vapor). La ebullición no deja desinfectante residual en el agua. Por lo tanto, el agua que se hierve y luego se almacena por cualquier período de tiempo puede adquirir nuevos patógenos.
  2. Adsorción de carbón activado granular : una forma de carbón activado de área de superficie alta que adsorbe muchos compuestos, incluidos muchos compuestos tóxicos. El agua que pasa por carbón activado se suele utilizar en municipios con contaminación orgánica, sabor u olor. Muchos filtros de agua domésticos y acuarios utilizan filtros de carbón activado para purificar aún más el agua. Los filtros domésticos de agua potable a veces contienen plata en forma de nanopartículas de plata metálica. Si el agua se mantiene en el bloque de carbón durante un período de tiempo más largo, los microorganismos pueden crecer en su interior, lo que da como resultado incrustaciones y contaminación [40] . Las nanopartículas de plata son un excelente material antibacteriano y pueden degradar compuestos halo-orgánicos tóxicos, como pesticidas, en productos orgánicos no tóxicos. El agua filtrada debe usarse poco después de haberla filtrado, ya que la pequeña cantidad de microbios que quedan pueden multiplicarse con el tiempo. En general, estos filtros domésticos eliminan más del 90 % del cloro disponible en un vaso de agua purificada. Estos filtros deben cambiarse periódicamente, de lo contrario, el contenido de bacterias en el agua puede aumentar debido al crecimiento de bacterias dentro del bloque del filtro.
  3. La destilación consiste en hervir agua para producir vapor de agua . El vapor entra en contacto con una superficie fría donde se condensa como líquido. Dado que los solutos normalmente no se evaporan, permanecen en la solución hirviendo. Incluso la destilación no purifica completamente el agua debido a los contaminantes con puntos de ebullición similares y las gotas de líquido sin apagar que transporta el vapor. Sin embargo, el 99,9% del agua pura se puede obtener por destilación.
  4. Ósmosis inversa : se aplica presión mecánica a una solución impura para forzar el agua pura a través de una membrana semipermeable . La ósmosis inversa es teóricamente el método de purificación de agua a gran escala más completo, aunque las membranas semipermeables ideales son difíciles de crear. Si las membranas no están en buenas condiciones, las algas y otras formas de vida pueden colonizar las membranas.
  5. Uso de hierro para eliminar el arsénico del agua.
  6. Destilación por membrana de contacto directo (DCMD). Aplicable para desalinización de agua. El agua de mar calentada pasa sobre la superficie de la membrana de polímero hidrofóbico . El agua evaporada pasa desde el lado caliente a través de los poros de la membrana hacia el flujo de agua fría pura del otro lado. La diferencia en la presión de vapor entre los lados caliente y frío ayuda a empujar las moléculas de agua.
  7. La desalinización es el proceso mediante el cual el agua salada (generalmente agua de mar) se convierte en agua dulce. Los procesos de desalinización más comunes son la destilación y la ósmosis inversa. Actualmente, la desalinización es costosa en comparación con la mayoría de las fuentes de agua alternativas, y solo una fracción muy pequeña del consumo humano total se satisface con la desalinización. Esto solo es económicamente factible para usos de alto valor (como el uso doméstico e industrial) en áreas secas.
  8. Cristales de hidrato de gas por método centrífugo. Si se mezcla dióxido de carbono u otro gas de bajo peso molecular con agua contaminada a alta presión y baja temperatura, se formarán cristales de hidrato de gas de forma exotérmica. La separación del hidrato cristalino se puede realizar por centrifugación o por sedimentación y decantación. El agua puede liberarse de los cristales de hidrato cuando se calienta [41] .
  9. La oxidación química in situ, una forma de procesos de oxidación avanzados y tecnologías de oxidación avanzadas, es una técnica de remediación ambiental utilizada para remediar el suelo y/o las aguas subterráneas a fin de reducir la concentración de contaminantes ambientales objetivo a niveles aceptables. Esta oxidación se lleva a cabo inyectando o introduciendo oxidantes químicos fuertes directamente en el ambiente contaminado (suelo o agua subterránea) para destruir los contaminantes químicos in situ. Se puede utilizar para restaurar diversos compuestos orgánicos, incluidos aquellos resistentes a la degradación natural.
  10. La biorremediación  es una técnica que utiliza microorganismos para eliminar o extraer ciertos productos de desecho de un área contaminada. Desde 1991, la biorremediación se ha propuesto como una táctica para eliminar impurezas del agua como alcanos, percloratos y metales [42] . El tratamiento de aguas subterráneas y superficiales con biorremediación de percloratos y compuestos de cloruro ha tenido éxito porque los compuestos de perclorato son altamente solubles, lo que dificulta su eliminación [43] . Tales éxitos con la cepa CKB de Dechloromonas agitata incluyen estudios de campo en Maryland y el suroeste de EE . UU . [44] [45] . Si bien el método de biorremediación puede tener éxito, la implementación no es factible ya que aún queda mucho por aprender sobre la tasa y las consecuencias de la actividad microbiana, así como el establecimiento de un método de implementación a gran escala.

Véase también

Notas

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