Desinfección

abril 7

2015Resumen escrito de la presentación realizada

el 31 de marzo para la asignatura de

Tratamiento de aguas

Descripción del proceso y las normativas RAS - 2000

1

INTRODUCCIÓN El agua, fuente de vida, es también uno de los principales transmisores de microorganismos

patógenos tales como virus, bacterias y protozoos, que provocan enfermedades a los

humanos y demás seres vivos, por lo que es pertinente realizar un adecuado tratamiento del

agua para garantizar la calidad de este, de acuerdo al RAS 2000, la desinfección del agua se

debe garantizar para todos los niveles de complejidad existentes.

A través de la historia se le atribuye a los procesos de filtración y desinfección del agua

potable la responsabilidad en gran parte del aumento de la expectativa de vida en países

desarrollados en aproximadamente un 50% durante el siglo XX .

Hay diferentes maneras de realizar la desinfección, aproximadamente 500 años atrás ya se

realizaban recomendaciones para hervir el agua, hoy en día la práctica es mucha más

conocida en cuanto a sus procesos y fenómenos implicados. La desinfección del agua es un

proceso físico o químico mediante el cual se erradica o inactiva agentes patógenos, como

las bacterias y virus, impidiendo el posterior crecimiento de microorganismos patógenos,

también para eliminar elementos que por estética no son deseados.

Es pertinente diferenciar el concepto de desinfección con el de esterilización, ya que la

desinfección no implica necesariamente la destrucción completa de todos los organismos

vivos, es decir, los procesos de desinfección del agua no siempre acaban en el punto de

esterilización, no necesariamente los erradica en su totalidad, sino que es suficiente realizar

la desinfección hasta los límites admisibles.

En todos los procesos de desinfección hay que tener en cuenta factores como:

Tipo y concentración de microorganismos que se desean tratar

Tipo y concentración de desinfectante

Tiempo de contacto

Características físico - químicas del agua (Materia en suspensión, pH, temperatura,

etc.)

Lo anterior es de gran importancia ya que por ejemplo el tiempo de contacto y la

temperatura mantienen una relación proporcional con la destrucción de los

microorganismos y a mayor concentración se espera mayor destrucción de

microorganismos por parte del desinfectante o si en el agua hay organismos como plantas o

algas y estos rodean a los microorganismos patógenos se puede aumentar la resistencia al

desinfectante ya que no se garantiza el total acceso de este.

El RAS 2000 indica que para todos los niveles de complejidad se debe garantizar procesos

de desinfección, y menciona los más comunes de acuerdo al objetivo para el que se

emplean [1]:

2

Cloración: útil para la desinfección de aguas, control de olores y sabores, y para la

prevención del crecimiento de algas y microorganismos

Ozonación: Mejora de la calidad organoléptica, actúa como una Bactericida y

virulicida, oxida a la materia Orgánica y a los micro-contaminantes presentes en el

agua, y en procesos de adsorción con carbón activado, contribuye a la

biodegradabilidad. Este proceso tiene la limitación de baja eficiencias en aguas que

contienen hierro o amoniaco por el riesgo a la corrosión.

Desinfección con Dióxido de Cloro, Se recomienda su empleo para el control del

sabor, olor y destrucción de sustancias orgánicas

Desinfección con rayos UV recomendado para bajos contenidos de materia orgánica

y de turbiedad del agua

Todas los procesos de desinfección poseen características similares, todos conllevan al

mismo objetivo sin embargo varia las condiciones en las cuales se emplean y la exactitud

de resultados esperados en cada una, los siguientes cuadros extraídos del texto Tratamiento

de Desinfección del Agua, indica algunas ventajas y desventajas de diferentes productos

utilizados en los procesos de desinfección de acuerdo al entorno y sus respectivas

características.

3

Tabla 1. Ventajas y desventajas de los productos empleados en la oxidación desinfección. Extraído de [2]

4

Tabla 2 Continuación. Ventajas y desventajas delos distintos productos empleados en la oxidación desinfección.

Extraído de [2]

5

ESTUDIOS PREVIOS En cuanto a los estudios previos a realizar en cada proceso de desinfección se encuentran la

caracterización de condiciones físicas como temperatura, pH, materia suspendida presente,

etc. Sin embargo de las consideraciones más importantes está la determinación optima de

desinfectante y condiciones de operación, la cual se hace mediante el método de

concentración-tiempo.

Para el proceso de cloración se determina mediante el control de la producción de

trihalometanos. Cantidad depende del grado de contaminación del agua.

La siguiente tabla extraída del texto Tratamiento de Desinfección del Agua, establece

valores comunes del contenido del producto empleado en el proceso de desinfección

Tabla 3 Dosis de oxidante, generalmente empleado en el tratamiento de aguas, requerida para osidar el hierro y

manganeso. Extraída de [2]

ESTUDIOS DE COSTOS En los costos hay tener en cuenta diferentes ítems como lo son costos de operación,

mantenimiento de unidades de filtración, costos de materiales así como la respectiva fuente.

En caso de los procesos de ozonización y rayos UV consideraciones como instalación,

operación, mantenimiento y suministro continuo de energía e importación de equipos y

repuestos, así como los trabajos necesarios de reparación tendrán que ser tomados en cuenta

también, sin embargo los equipos para la producción de ozono, deben ser aprobados por el

Ministerio de Salud o en su defecto el proveedor debe comprobar más de 10 años de

funcionamiento de sus unidades instaladas.

6

Descripción del proceso

La desinfección de las aguas de abastecimiento público se puede clasificar dependiendo del

agente desinfectante que se utilice. Estos pueden ser la cloración, que consiste en

adicionarle al agua compuestos del cloro, y adicionalmente trataremos cómo reaccionan

estos en el agua y que consideraciones son necesaria para cada caso. También

mencionaremos otros métodos de desinfección como lo son los procesos de ozonación y el

empleo de rayos ultra violetas.

Para la desinfección y el tratamiento con cloro se pueden dividir en tres tipos principales,

los cuales son con cloro gaseoso, hipocloritos de sodio en estado líquido e hipocloritos de

calcio en estado sólido o en forma granular. El cloro gaseoso se genera a partir de la

evaporación de cloro líquido, el cual debe cumplir con la norma NTC 925 o la AWWA

B301. En la norma se mencionan algunas recomendaciones para el diseño del sistema de

dosificación, las cuales les mencionaremos ahora. La tasa de máxima de extracción con la

que podrá trabajar el dosificador dependerá del contenedor en el que se encuentre el gas,

estos podrán ser en tanques individuales de diferentes tamaños o en carro tanques que

sirven como unidades de transporte y posteriormente como unidades contenedoras. De esto

también depende que el dosificador debe emplear un sistema de alternación de los

contenedores del gas, para garantizar que siempre se esté proporcionando desinfectante al

agua sin exceder las tasas de extracción. También se deberá garantizar una temperatura

constante en el dosificador, tenerse un sistema automático de dosificación que depende del

número y tipo de tanque empleados, y debe asegurarse que la distancia entre el clorador y

el cilindro de cloro debe ser suficientemente corta para que se evita la relicuefacción del

gas de cloro en el trayecto.

El uso de los diferentes hipocloritos presenta múltiples semejanzas en sus ventajas como lo

son su fácil manejo y transporte, no son tóxicos a menos que sean consumidos y su

dosificación no requiere de equipos complicados. EL hipoclorito de calcio es mejor para

comunidades más pequeñas y es más soluble, pero es más costoso y sufre alteraciones al

contacto con la atmosfera. El hipoclorito de sodio es poco estable y presenta baja

concentración de cloro activado. Adicionalmente también se podría emplear cal clorada, la

cual tiene como ventaja su fácil manejo, no es toxica, es de fácil transporte, se disuelve

fácilmente en el agua y no requiere de equipos sofisticados para su dosificación, pero

generan residuos calcáreos, presentan baja estabilidad y se deben mantener alejados de la

luz solar y el calor.

Al combinarse el cloro con el agua este presenta dos reacciones principales, primero se

lleva a cabo la hidrólisis que al mezclarse el cloro con el agua, se hidroliza y forma acido

hipocloroso y el ion hipoclorito, después de esto sucede el proceso de oxidación –

reducción en el cual el cloro se combina con el nitrógeno amoniacal para producir

7

cloraminas, las cuales disminuyen el riesgo de formación de trialometano los cuales son un

subproducto de la cloración por reacción con materia orgánica.

Existe un caso especial de cloro gaseoso el cual es dióxido de cloro el cual es de carácter

explosivo por lo cual es necesario que sea producido en el sitio donde será utilizado.

En el proceso de ozonación se esteriliza el agua por medio de ozono, el cual es un gas

inestable por lo cual requiere de equipos especiales para ser generado y deberá aplicarse el

gas directamente al agua tratada en una cámara de contacto especialmente diseñada. Se

recomienda que se mantenga una concentración residual de 0.2 a 0.4 mg/L durante cuatro

minutos para que los efectos sean los indicados. Este proceso tiene como subproducto el

ion bromato, el cual es de carácter cancerígeno, por lo cual se recomienda una baja

concentración. Como se puede observar, el método de dosificación no es sencillo como con

otros procesos, por lo que el personal deberá estar altamente capacitado para su manejo, la

planta deberá tener energía durante a 24 horas, y es necesario emplear un desinfectante

secundario que genere un efecto residual para proteger el agua en el sistema de

distribución, ya que el ozono no tiene ese efecto.

Para el proceso de desinfección con rayos ultravioleta se recomienda que el agua circule lo

más cercano posible a la fuente de luz para que los efectos sean lo más efectivos posibles.

También es necesario que el agua que llega a este punto este clara por medio de los

procesos anteriores, ya que en el caso contrario podrían presentarse substancias que puedan

absorber la luz o materias suspendidas que generen sombras y eviten que la luz llegue a

todas partes y no se eliminen así todos organismos. Adicionalmente debe emplearse un

segundo agente desinfectante que evite la formación de microorganismos nuevamente en el

sistema.

Cloro residual

Cloro libre Cloro combinado

Ácido Cloroso

ClOH

Ión Clorito

ClO-

Monocloramida

Dicloramida

Tricloramida

8

Selección de Desinfectante

Para seleccionar el desinfectante adecuado se las siguientes recomendaciones:

Debe destruir o inactivas, dentro de un tiempo dado los microorganismos patógenos

presentes en el agua [1].

1. La determinación de la concentración de desinfectante debe ser lo más eficiente

posible para hacerlo tanto en el terreno como en laboratorio.

2. El desinfectante debe ser confiable para usarse dentro del rango de condiciones del

abastecimiento de agua.

3. Debe poder mantener una concentración residual adecuada en el sistema de

distribución de agua.

4. No debe producir o introducir sustancias toxicas, o mantenerlos dentro de los

valores exigidos.

5. Debe poder medirse la concentración del desinfectante en el agua de manera fácil.

6. El desinfectante debe ser seguro y fácil de usar y aplicar en la situación que requiera

su uso.

7. El personal debe estar calificado para manejar el agente desinfectante o ser

capacitados en esto.

8. Los costos, incluyendo compra, instalación, operación, mantenimiento, y

adicionalmente los materiales requeridos para la dosificación debe ser razonable.

Se debe tener en cuenta que no hay un desinfectante perfecto, el más adecuado y la

cantidad a aplicar dependerá de las condiciones y circunstancias locales. El objetivo es

disponer de un agua con el más bajo olor y sabor al desinfectante y subproductos derivados

de él, a la vez que se consiga la mayor efectividad de desinfección.

9

Cloración

El cloro es el químico más utilizado para la desinfección de aguas residuales. Se puede

aplicar ya sea como cloro gaseoso (cloro elemental, Cl2), un compuesto de hipoclorito, o

como dióxido de cloro. La utilización del cloro como desinfectante se inicia propiamente en

1912 en EE.UU. Desde entonces las técnicas de cloración se han ido perfeccionando hasta

la actualidad. [2]

“La concentración de cloro residual libre en el sistema de distribución debe estar

entre 0.2 mg/L y 1.0 mg/L, según lo fijado por el Decreto 475 de marzo 10 de 1998

del Ministerio de Salud o en su defecto, el que lo reemplace.” [1]

Para evaluar la cantidad de cloro en el tiempo, se desarrolló la ecuación mostrada en la

Figura 1. Formula que indica la cantidad de cloro residual a un tiempo (t) en función del

cloro añadido inicialmente, el tiempo y la constante "k". Método utilizado en

Figura 1. Formula que indica la cantidad de cloro residual a un tiempo (t) en función del cloro añadido

inicialmente, el tiempo y la constante "k". Método utilizado en [2]

Figura 2 Constante para el cálculo dl cloro residual

La RAS establece un método que parte del principio de que la concentración “C” de

desinfectante aplicado (cloro libre) multiplicada por el tiempo de detención “t” desde que

se aplica dicha dosis hasta que se consume el agua, es igual a una constante “K”, o sea que

C*t=K. (K difiere de la constante k anteriormente mencionada)

K es una constante experimental que toma las concentraciones de cloro iniciales, el pH y la

temperatura como los valores que la definen.

10

Es importante que antes de fijar la dosis de desinfectante se estime la eficiencia de los

procesos previos de sedimentación y filtración para establecer el grado de remoción de

turbiedad y de coliformes totales. Los sólidos suspendidos en el agua disminuyen la

eficiencia de la cloración puesto que pueden encapsular microorganismos y servirles de

protección.

La RAS contiene un listado de tablas en las que se puede ubicar un valor de la constante

“K” dependiendo de la temperatura el pH y la concentración inicial de cloro, hay tablas

separadas para diferentes calidades de agua, evaluadas según la eficiencia de remoción de

solidos de los procesos previos a la desinfección

La constante “k” mostrada en la Figura 2 Constante para el cálculo dl cloro residualno

depende directamente del pH pero este es un factor decisivo puesto que está directamente

relacionado con la proporción de Ácido hipocloroso y de Hipoclorito. Ambos representan

la totalidad del cloro libre pero es deseable trabajar con una proporción un poco mayor de

ácido cloroso (ClOH), puesto que este es mejor bactericida, entonces el poder bactericida

del cloro es menor para un pH superior a 7, que para otros valores de pH más bajos a éste.

Figura 3 Fracción de ClOH y ClO(-) dependiendo del pH [2]

11

Figura 4 Fracción de ácido cloroso dependiente de la temperatura

La temperatura es un factor importante puesto que al mismo pH hay una mayor fracción de

ácido cloroso en temperaturas menores, como muestra la Figura 4 Fracción de ácido

cloroso dependiente de la temperatura además las monocloramidas tienen un mejor efecto

desinfectante a temperaturas bajas por lo que siempre es preferible almacenar y transportar

el agua a la menor temperatura posible. [2]

Durante la cloración existen dos agentes desinfectantes principales, el ácido cloroso que

forma parte del cloro libre y las monocloramidas que hacen parte del el cloro residual

combinado. Por lo general se prefiere como desinfectante residual a las monocloramidas

puesto que son más estables y permanecen por más tiempo en el agua.

La demanda de cloro es la diferencia entre la dosis de cloro añadida y el contenido de cloro

residual, al cabo de un tiempo de contacto, suficiente para completar las reacciones y debe

obtenerse para determinar el número y la capacidad de los cloradores a emplear, así como

el tipo de agente desinfectante.

12

Figura 5 Curva de cloro residual en agua sin demanda de cloro y curva de croro residual en agua con presencia de

nitrogeno [3]

Figura 6 Curva de cloro residual en función de cloro añadido. [2]

13

Mientras se vence la demanda de cloro no hay cloro residual a pesar del cloro añadido,

suplida la demanda aparece cloro residual como se muestra en la Figura 5 Curva de cloro

residual en agua sin demanda de cloro y curva de croro residual en agua con presencia de

nitrogeno; en ella se muestran dos curvas, en la primera, el agua a la que se le añade el

cloro no posee nitrógeno amoniacal, entonces todo el cloro añadido se refleja como cloro

libre.

La segunda curva se da cuando el agua posee nitrógeno amoniacal, la pendiente inicial es

menor porque el cloro añadido reacciona convirtiéndose en monocloramidas hasta llegar al

punto máximo de formación de cloro combinado a partir del cual todo el cloro que se añada

se consume en la creación de dicloraminas y tricloraminas, las cuales no poseen un buen

efecto desinfectante y pueden dar color y olor indeseable al agua. Si se continúa añadiendo

cloro se llega a un punto de quiebre a partir del cual no hay más nitrógeno para la

formación de cloramidas y las cloramidas formadas ya no consumen más cloro por lo que

todo el cloro añadido de ahí en adelante es cloro libre [3].

En la Figura 6 Curva de cloro residual en función de cloro añadido. se muestra más

claramente que pasado el punto de ruptura, el cloro combinado permanece constante.

Para garantizar la calidad del agua, la desinfección debe minimizar el impacto causado por

los procesos internos que suceden en los sistemas de transporte y distribución. Los

problemas más comunes son:

Perdida del desinfectante residual

Crecimiento de microorganismos

Liberación de agentes químicos peligrosos por parte de los conductos que la

transportan

Las tuberías pueden liberar agentes como plomo arsénico hierro zinc

Las tuberías pueden obstruirse

Aparición de compuestos tóxicos como trihalometanos por reacciones internas

Para evitar estos inconvenientes, el sistema debe ser diseñado de tal manera que

Mediciones en diferentes zonas del sistema de distribución

El agua no debe permanecer estancada

El transporte debe darse a temperaturas bajas

El pH debe ser balanceado

Nivel de cloro residual

Nivel de alcalinidad controlado

El cloro libre no lleva necesariamente a un aumento en la calidad de desinfección, por

ejemplo, el residual libre es más reactivo que el residual combinado, entonces puede

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consumirse en reacciones orgánicas ajenas al proceso de desinfección, adicionalmente el

cloro libre residual puede favorecer la aparición de trihalometanos.

El cloro residual combinado no solo es buen bactericida, tampoco es permanece disponible

para la desinfección. La permanencia de las cloramidas es una desventaja si no se controla

puesto que puede acumularse y causar efectos adversos en la salud de los consumidores.

Cloradores Hay cloradores de tipo directo y los cloradores de tipo de solución al vacío

En la selección del clorador debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos [1]:

Para los niveles bajo y medio de complejidad del sistema, los dispositivos de

dosificación deben ser sencillos y en lo posible funcionar a gravedad.

Debe disponerse de un equipo de reserva con capacidad suficiente para reemplazar

la unidad más grande durante un paro de la misma.

Debe determinarse la demanda de cloro, ya que ésta permite cuantificar el número y

la capacidad de los cloradores, así como la cantidad de cloro y el tipo de agente

desinfectante.

La unidad debe satisfacer la demanda máxima con un margen de seguridad.

Tanque de contacto El tanque de almacenamiento no se puede utilizar como tanque de contacto porque su nivel

está variando constantemente y por tanto no siempre retiene el flujo durante el tiempo

requerido para una buena desinfección. En forma excepcional se puede utilizar la tubería de

conducción entre la planta y la red para obtener el tiempo de contacto, siempre y cuando

dicha conducción sea expresa y no tenga suministro en ruta antes de que el flujo complete

el tiempo t de contacto requerido, en cuyo caso se requiere proveer de un tanque pequeño

de contacto a la planta de tratamiento solo para su uso interno.

Operación de los dosificadores La operación de los dosificadores debe realizarse con el mayor control posible, ya que una

pequeña variación en la concentración de las sustancias químicas puede llegar a ser

representativa y afectar la calidad del agua aumentando los costos de producción. Todos los

cloradores deben instalarse para funcionamiento continuo, libres de problemas de

operación. La selección del punto de aplicación del cloro debe hacerse con base en [1]:

1. Contrapresión según especificación del fabricante.

2. Mezcla rápida y homogénea del cloro en el agua.

3. Facilidad de acceso al equipo de cloración para inspección.

4. Disponibilidad de agua y espacio para almacenamiento de cilindros.

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5. Disponibilidad de energía eléctrica.

CONTROL DE LOS PROCESOS Y OPERACIÓN Los factores o parámetros que influyen en la desinfección y que deben ser controlados

durante la operación son [1]:

1. La mezcla debe ser rápida, uniforme y eficiente entre el cloro y el agua.

2. El desinfectante y el agua deben estar en contacto el tiempo estimado, para garantizar

una completa desinfección del agua.

3. Debe desinfectarse el agua a un pH inferior a 7.5. Valores de pH superiores a 7.5

retardan las reacciones entre el cloro y el amoniaco.

4. Debe controlarse el nivel de turbiedad del agua, debido a que los microorganismos

pueden encapsularse dentro de la partículas haciendo más lenta la acción del desinfectante.

Se recomienda tener una turbiedad menor de 1 UNT para la optimización del proceso.

5. Debe garantizarse que la desinfección con cloro no produzca trihalometanos al final de la

red superior a lo indicado por la norma.

6. Controlar con análisis adecuados que la contaminación patógena no esté presente en la

red de distribución incluyendo las zonas de extremo de red.

7. Medir el contenido de cloro residual libre y combinado, como mínimo cada hora.

8. La cloración debe realizarse con un clorador, este debe tener un rotámetro que permita

cuantificar el cloro dosificado en el efluente de la planta de tratamiento.

9. Debe vigilarse y chequearse la posición del rotámetro, cuando se utilice cloro

proveniente de cilindros a presión.

10.En caso de ser necesario debe emplearse un segundo desinfectante.

11.En caso de aplicar un proceso de estabilización al agua tratada es aconsejable neutralizar

después de desinfectar, para operar a condiciones óptimas de pH.

12.No debe aplicarse cal y cloro al mismo tiempo.

13.En general, la calidad del agua debe cumplir con lo establecido en el Decreto 475 de

1998.

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Influencia del pH y la temperatura

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el agua

2:37

http://www.youtube.com/watch?v=

8gqiGhftgKE

Planta de tratamiento de aguas

residuales. Desinfección

8:45

https://m.facebook.com/l.php?u=ht

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m%2Fwatch%3Fv%3DqWbu_b0

OMF0&h=HAQGkSMn_&enc=A

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wBWyBRJuZM1kELYw0B45wKa

A1AdAD4EMqgLuXRoo&s=1

Referencias

[1] Direccion de agua potable y saneamiento básico; Ministerio de desarrollo económico;

República de Colombia, "Capitulo de desinfeccion ," in Reglamento técnico del sector

de agua potable y saneamiento básico RAS - 2000 Título C. Bogotá, Colombia, 2000.

[2] Francisco Ramírez Quirós and Departamento de Tratamiento del Agua. Canal de Isabel,

Tratamiento de desinfección de agua potable, Segunda ed. España: Editorial Canal

Educa, 2005.

[3] Water Environment Federation, "CHLORINATION," in Design of Municipal

Wastewater Treatment Plants: WEF Manual of Practice No. 8 ASCE Manuals and

Reports on Engineering Practice No. 76, Fifth Edition.: McGraw-Hill Professional,

2010.