Purificación del agua - Water purification
La purificación del agua es el proceso de eliminación de sustancias químicas indeseables, contaminantes biológicos, sólidos en suspensión y gases del agua. El objetivo es producir agua apta para fines específicos. La mayor parte del agua se purifica y desinfecta para el consumo humano ( agua potable ), pero la purificación del agua también se puede llevar a cabo para una variedad de otros fines, incluidas aplicaciones médicas, farmacológicas, químicas e industriales. Los métodos utilizados incluyen procesos físicos como filtración , sedimentación y destilación ; procesos biológicos como filtros lentos de arena o carbón biológicamente activo ; procesos químicos como floculación y cloración ; y el uso de radiación electromagnética como luz ultravioleta .
La purificación del agua puede reducir la concentración de material particulado, incluidas partículas en suspensión , parásitos , bacterias , algas , virus y hongos , así como reducir la concentración de una variedad de material disuelto y particulado.
Los estándares de calidad del agua potable los establecen normalmente los gobiernos o los estándares internacionales. Estos estándares generalmente incluyen concentraciones mínimas y máximas de contaminantes, dependiendo del uso previsto del agua.
La inspección visual no puede determinar si el agua cumple con los estándares de calidad. Los procedimientos simples como hervir o el uso de un filtro de carbón activado doméstico no son suficientes para tratar todos los posibles contaminantes que pueden estar presentes en el agua de una fuente desconocida. Incluso el agua de manantial , considerada segura para todos los propósitos prácticos en el siglo XIX, ahora debe probarse antes de determinar qué tipo de tratamiento, si es que se necesita, se necesita. Los análisis químicos y microbiológicos , si bien son costosos, son la única forma de obtener la información necesaria para decidir el método de purificación adecuado.
Según un informe de la Organización Mundial de la Salud (OMS) de 2007, 1.100 millones de personas carecen de acceso a un suministro mejorado de agua potable; El 88% de los 4.000 millones de casos anuales de enfermedades diarreicas se atribuyen al agua no potable y al saneamiento e higiene inadecuados , mientras que 1,8 millones de personas mueren cada año por enfermedades diarreicas. La OMS estima que el 94% de estos casos de enfermedades diarreicas se pueden prevenir mediante modificaciones en el medio ambiente, incluido el acceso a agua potable. Las técnicas sencillas para tratar el agua en el hogar, como la cloración, los filtros y la desinfección solar, y para almacenarla en contenedores seguros podrían salvar un gran número de vidas cada año. Reducir las muertes por enfermedades transmitidas por el agua es un importante objetivo de salud pública en los países en desarrollo.
Fuentes de agua
- Agua subterránea : el agua que emerge de algunas aguas subterráneas profundas puede haber caído en forma de lluvia hace muchas decenas, cientos o miles de años. Las capas de suelo y roca filtran naturalmente el agua subterránea con un alto grado de claridad y, a menudo, no requiere un tratamiento adicional además de agregar cloro o cloraminas como desinfectantes secundarios. Dicha agua puede surgir como manantiales, manantiales artesianos o puede extraerse de perforaciones o pozos. El agua subterránea profunda es generalmente de muy alta calidad bacteriológica (es decir, las bacterias patógenas o los protozoos patógenos suelen estar ausentes), pero el agua puede ser rica en sólidos disueltos, especialmente carbonatos y sulfatos de calcio y magnesio . Dependiendo de los estratos a través de los cuales haya pasado el agua, también pueden estar presentes otros iones, incluidos el cloruro y el bicarbonato . Puede ser necesario reducir el contenido de hierro o manganeso de esta agua para que sea aceptable para beber, cocinar y lavar la ropa. También puede ser necesaria una desinfección primaria . Donde se practica la recarga de agua subterránea (un proceso en el que se inyecta agua de río en un acuífero para almacenar el agua en tiempos de abundancia para que esté disponible en tiempos de sequía), el agua subterránea puede requerir un tratamiento adicional según las regulaciones estatales y federales aplicables.
- Lagos y embalses de tierras altas : normalmente ubicados en las cabeceras de los sistemas fluviales, los embalses de las tierras altas suelen estar ubicados sobre cualquier habitación humana y pueden estar rodeados por una zona protectora para restringir las oportunidades de contaminación. Los niveles de bacterias y patógenos suelen ser bajos, pero estarán presentes algunas bacterias, protozoos o algas . Donde las tierras altas están cubiertas de bosques o turba, los ácidos húmicos pueden colorear el agua. Muchas fuentes de tierras altas tienen un pH bajo que requiere un ajuste.
- Ríos , canales y embalses de tierras bajas: las aguas superficiales de tierras bajas tendrán una carga bacteriana significativa y también pueden contener algas, sólidos en suspensión y una variedad de componentes disueltos.
- La generación de agua atmosférica es una nueva tecnología que puede proporcionar agua potable de alta calidad extrayendo agua del aire enfriando el aire y condensando así el vapor de agua.
- La recolección de agua de lluvia o la recolección de niebla que recolecta agua de la atmósfera se puede usar especialmente en áreas con estaciones secas significativas y en áreas que experimentan niebla incluso cuando hay poca lluvia.
- Desalación de agua de mar por destilación u ósmosis inversa .
- Agua superficial : las masas de agua dulce que están abiertas a la atmósfera y no están designadas como aguas subterráneas se denominan aguas superficiales.
Tratamiento
Metas
Los objetivos del tratamiento son eliminar los componentes no deseados del agua y hacerla segura para beber o apta para un propósito específico en la industria o aplicaciones médicas. Se encuentran disponibles técnicas muy variadas para eliminar contaminantes como sólidos finos, microorganismos y algunos materiales orgánicos e inorgánicos disueltos, o contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes . La elección del método dependerá de la calidad del agua que se esté tratando, el costo del proceso de tratamiento y los estándares de calidad que se esperan del agua procesada.
Los siguientes procesos son los que se utilizan comúnmente en las plantas de purificación de agua. Es posible que algunos o la mayoría no se utilicen según la escala de la planta y la calidad del agua cruda (fuente).
Pretratamiento
- Bombeo y contención: la mayor parte del agua debe bombearse desde su fuente o dirigirse a tuberías o tanques de retención. Para evitar agregar contaminantes al agua, esta infraestructura física debe estar hecha de materiales apropiados y construida de manera que no ocurra contaminación accidental.
- Cribado ( ver también filtro de malla ): el primer paso para purificar el agua superficial es eliminar los desechos grandes como palos, hojas, basura y otras partículas grandes que pueden interferir con los pasos de purificación posteriores. La mayoría de las aguas subterráneas profundas no necesitan cribado antes de otros pasos de purificación.
- Almacenamiento: el agua de los ríos también se puede almacenar en los embalses de las orillas por períodos entre unos pocos días y muchos meses para permitir que se lleve a cabo la purificación biológica natural. Esto es especialmente importante si el tratamiento se realiza mediante filtros de arena lentos . Los depósitos de almacenamiento también proporcionan un amortiguador contra períodos cortos de sequía o para permitir que se mantenga el suministro de agua durante incidentes de contaminación transitoria en el río de origen.
- Precloración - En muchas plantas, el agua entrante fue clorada para minimizar el crecimiento de organismos incrustantes en las tuberías y tanques. Debido a los posibles efectos adversos sobre la calidad (ver cloro a continuación), esto se ha descontinuado en gran medida.
ajuste de pH
El agua pura tiene un pH cercano a 7 (ni alcalina ni ácida ). El agua de mar puede tener valores de pH que oscilan entre 7,5 y 8,4 (moderadamente alcalino). El agua dulce puede tener valores de pH de amplio rango dependiendo de la geología de la cuenca de drenaje o del acuífero y la influencia de las entradas de 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 durante los procesos 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 eficaz de elevar el pH, eliminando el dióxido de carbono disuelto del agua. Hacer que el agua sea alcalina ayuda a que los procesos de coagulación y floculación funcionen de manera efectiva y también ayuda a minimizar el riesgo de que el plomo se disuelva de las tuberías de plomo y de la soldadura de plomo en los accesorios de las tuberías. La alcalinidad suficiente también reduce la corrosividad del agua en las tuberías de hierro. Se puede agregar ácido ( ácido carbónico , ácido clorhídrico o ácido sulfúrico ) a las aguas alcalinas en algunas circunstancias para reducir el pH. El agua alcalina (por encima de pH 7,0) no significa necesariamente que el plomo o el cobre del sistema de tuberías no se disolverán en el agua. La capacidad del agua para precipitar carbonato de calcio para proteger las superficies metálicas y reducir la probabilidad de que los metales tóxicos se disuelvan en el agua es función del pH, el contenido mineral, la temperatura, la alcalinidad y la concentración de calcio.
Coagulación y floculación.
Uno de los primeros pasos en la mayoría de los procesos de purificación de agua convencionales 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 sobre y entre las partículas. En segundos, los coagulantes inorgánicos neutralizan las cargas negativas de las partículas. También en segundos, los precipitados de hidróxido metálico de los iones de hierro y aluminio comienzan a formarse. Estos precipitados se combinan en partículas más grandes bajo procesos naturales como el movimiento browniano y mediante una mezcla inducida que a veces se denomina floculación . Los hidróxidos de metales amorfos se conocen como "floc". Los hidróxidos grandes y amorfos de aluminio y hierro (III) adsorben y enredan las partículas en suspensión y facilitan la eliminación de las partículas mediante los procesos posteriores de sedimentación y filtración .
Los hidróxidos de aluminio se forman dentro de un intervalo de pH bastante estrecho, típicamente: 5,5 a aproximadamente 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: 5,0 a 8,5.
En la literatura, hay mucho debate y confusión sobre el uso de los términos coagulación y floculación: ¿Dónde termina la coagulación y comienza la floculación? En las plantas de purificación de agua, generalmente hay un proceso unitario de mezcla rápido y de alta energía (tiempo de detención en segundos) mediante el cual se agregan los químicos coagulantes seguidos de depósitos de floculación (los tiempos de detención varían de 15 a 45 minutos) donde las entradas de baja energía hacen girar paletas grandes o otros dispositivos de mezcla suave para mejorar la formación de flóculos. De hecho, los procesos de coagulación y floculación están en curso una vez que se agregan los coagulantes de sales metálicas.
Los polímeros orgánicos se desarrollaron en la década de 1960 como ayudas para los coagulantes 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 sobre las superficies de las partículas y, a través de los puentes entre partículas, se fusionan con otras partículas para formar flóculos. PolyDADMAC es un polímero orgánico catiónico (cargado positivamente) popular que se utiliza en plantas de purificación de agua.
Sedimentación
Las aguas que salen de la cuenca de floculación pueden ingresar a la cuenca de sedimentación , también llamada clarificador o cuenca de sedimentación. Es un tanque grande con bajas velocidades del agua, lo que permite que los flóculos se asienten en el fondo. La cuenca de sedimentación se ubica mejor cerca de la cuenca de floculación para que el tránsito entre los dos procesos no permita el asentamiento o la ruptura de los flóculos. Las cuencas de sedimentación pueden ser rectangulares, donde el agua fluye de un extremo a otro, o circulares donde el flujo es desde el centro hacia afuera. El flujo de salida de la cuenca de sedimentación generalmente se encuentra sobre un vertedero, por lo que solo sale una fina capa superior de agua, la más alejada del lodo.
En 1904, Allen Hazen demostró que la eficiencia de un proceso de sedimentación era función de la velocidad de sedimentación de las partículas, el flujo a través del tanque y el área de la superficie del tanque. Los tanques de sedimentación se diseñan típicamente dentro de un rango de 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). En general, la eficiencia de la cuenca de sedimentación no es una función del tiempo de retención o la profundidad de la cuenca. Sin embargo, la profundidad de la cuenca debe ser suficiente para que las corrientes de agua no perturben el lodo y se promuevan las interacciones de las partículas sedimentadas. A medida que aumentan las concentraciones de partículas en el agua sedimentada cerca de la superficie del lodo en el fondo del tanque, las velocidades de sedimentación pueden aumentar debido a colisiones y aglomeración de partículas. Los tiempos de retención típicos para la sedimentación varían de 1,5 a 4 horas y las profundidades de las cuencas varían de 10 a 15 pies (3 a 4,5 metros).
Se pueden agregar placas o tubos planos inclinados a los depósitos de sedimentación tradicionales para mejorar el rendimiento de eliminación de partículas. Las placas y tubos inclinados aumentan drásticamente el área de superficie disponible para que las partículas se eliminen de acuerdo con la teoría original de Hazen. La cantidad de superficie terrestre ocupada por una cuenca de sedimentación con placas o tubos inclinados puede ser mucho menor que una cuenca de sedimentación convencional.
Almacenamiento y eliminación de lodos
A medida que las partículas se depositan en el fondo de un tanque de sedimentación, se forma una capa de lodo en el piso del tanque que debe eliminarse y tratarse. La cantidad de lodo generado es significativa, a menudo del 3 al 5 por ciento del volumen total de agua a tratar. El costo de tratamiento y eliminación de lodos puede afectar el costo operativo de una planta de tratamiento de agua. El depósito de sedimentación puede estar equipado con dispositivos de limpieza mecánicos que limpian continuamente su fondo, o el depósito puede retirarse periódicamente de servicio y limpiarse manualmente.
Clarificadores de manta floc
Una subcategoría de sedimentación es la eliminación de partículas por atrapamiento en una capa de flóculo suspendido a medida que el agua es empujada hacia arriba. La principal ventaja de los clarificadores de manta de flóculos es que ocupan una huella más pequeña que la sedimentación convencional. Las desventajas son que la eficiencia de remoción de partículas puede ser muy variable dependiendo de los cambios en la calidad del agua afluente y el caudal de agua afluente.
Flotación por aire disuelto
Cuando las partículas que se van a eliminar no se depositan fácilmente en la solución, a menudo se utiliza la flotación por aire disuelto (DAF). Después de los procesos de coagulación y floculación, el agua fluye a los tanques DAF donde los difusores de aire en el fondo del tanque crean burbujas finas que se adhieren al flóculo dando como resultado una masa flotante de flóculo concentrado. La manta flotante de flóculos se retira de la superficie y el agua clarificada se extrae del fondo del tanque DAF. Los suministros de agua que son particularmente vulnerables a la proliferación de algas unicelulares y los suministros con baja turbidez y alto color a menudo emplean DAF.
Filtración
Después de separar la mayoría de los flóculos, el agua se filtra como paso final para eliminar las partículas en suspensión restantes y el flóculo sin asentar.
Filtros de arena rápidos
El tipo de filtro más común es un filtro de arena rápido . El agua se mueve verticalmente a través de la arena que a menudo tiene una capa de carbón activado o carbón de antracita sobre la arena. La capa superior elimina los compuestos orgánicos que contribuyen al sabor y al olor. El espacio entre las partículas de arena es más grande que las partículas en suspensión más pequeñas, por lo que la simple filtración no es suficiente. La mayoría de las partículas atraviesan 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.
Para limpiar el filtro, se hace pasar agua rápidamente hacia arriba a través del filtro, en dirección opuesta a la normal (llamada retrolavado o 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 compactado para ayudar al proceso de retrolavado; esto se conoce como fregado de aire . Esta agua contaminada se puede eliminar, junto con los lodos de la cuenca de sedimentación, o se puede reciclar mezclándola con el agua cruda que ingresa a la planta, aunque esto a menudo se considera una mala práctica, ya que reintroduce una concentración elevada de bacterias en la planta. agua cruda.
Algunas plantas de tratamiento de agua emplean filtros de presión. Estos funcionan según el mismo principio que los filtros de gravedad rápida, y se diferencian en que el medio filtrante está encerrado en un recipiente de acero y el agua se fuerza a través de él bajo presión.
Ventajas:
- Filtra partículas mucho más pequeñas que los filtros de papel y arena.
- Filtra virtualmente todas las partículas más grandes que sus tamaños de poro especificados.
- Son bastante delgados y, por lo tanto, los líquidos fluyen a través de ellos con bastante rapidez.
- Son razonablemente fuertes y, por lo tanto, pueden soportar diferencias de presión a través de ellos, típicamente de 2 a 5 atmósferas.
- Se pueden limpiar (lavar a contracorriente) y reutilizar.
Filtros de arena lentos
Se pueden usar filtros de arena lentos donde haya suficiente tierra y espacio, ya que el agua fluye muy lentamente a través de los filtros. Estos filtros dependen de procesos de tratamiento biológico para su acción más que de filtración física. Se construyen cuidadosamente utilizando capas de arena graduadas, con la arena más gruesa, junto con algo de grava, en la parte inferior y la arena más fina en la parte superior. Los desagües en la base transportan el agua tratada para su desinfección. La filtración depende del desarrollo de una capa biológica delgada, llamada capa zoogleal o Schmutzdecke , en la superficie del filtro. Un filtro de arena lento eficaz puede permanecer en servicio durante muchas semanas o incluso meses, si el pretratamiento está bien diseñado y produce agua con un nivel de nutrientes disponible muy bajo que los métodos físicos de tratamiento rara vez logran. Los niveles muy bajos de nutrientes permiten que el agua se envíe de manera segura a través de los sistemas de distribución con niveles muy bajos de desinfectantes, lo que reduce la irritación del consumidor por los niveles ofensivos de cloro y subproductos del cloro. Los filtros de arena lentos no se lavan a contracorriente; se mantienen raspando la capa superior de arena cuando el flujo finalmente se ve obstruido por el crecimiento biológico.
Una forma específica de "gran escala" de filtro de arena lento es el proceso de filtración de banco , en el que se utilizan sedimentos naturales en la orilla de un río para proporcionar una primera etapa de filtración de contaminantes. Aunque por lo general no es lo suficientemente limpia para ser utilizada directamente como agua potable, el agua obtenida de los pozos de extracción asociados es mucho menos problemática que el agua de río extraída directamente del río.
Filtración de membrana
Los filtros de membrana se utilizan ampliamente para filtrar tanto el agua potable como las aguas residuales . Para el agua potable, los filtros de membrana pueden eliminar prácticamente todas las partículas de más de 0,2 μm, incluidas la giardia y el criptosporidio . Los filtros de membrana son una forma eficaz de tratamiento terciario cuando se desea reutilizar el agua para la industria, para fines domésticos limitados o antes de descargar el agua en un río que utilizan las ciudades aguas abajo. Se utilizan ampliamente en la industria, especialmente para la preparación de bebidas (incluida el agua embotellada ). Sin embargo, ninguna filtración puede eliminar sustancias realmente disueltas en el agua, como fosfatos , nitratos e iones de metales pesados.
Eliminación de iones y otras sustancias disueltas.
Las membranas de ultrafiltración utilizan membranas de polímero con poros microscópicos formados químicamente que se pueden utilizar para filtrar sustancias disueltas evitando el uso de coagulantes. El tipo de medio de membrana determina cuánta presión se necesita para impulsar el agua y qué tamaños de microorganismos se pueden filtrar.
Intercambio de iones : los sistemas de intercambio de iones utilizan resinas de intercambio iónico o columnas empaquetadas con zeolita para reemplazar los iones no deseados. El caso más común es el ablandamiento del agua que consiste en la eliminación de iones Ca 2+ y Mg 2+ reemplazándolos con iones benignos (amigables con el jabón) Na + o K + . Las resinas de intercambio iónico también se utilizan para eliminar iones tóxicos como nitrito , plomo , mercurio , arsénico y muchos otros.
Ablandamiento precipitado : El agua rica en dureza ( 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 de la solución utilizando el efecto de iones comunes .
Electrodesionización : El agua pasa entre un electrodo positivo y un electrodo negativo. Las membranas de intercambio iónico permiten que solo los iones positivos migren desde el agua tratada hacia el electrodo negativo y solo los iones negativos hacia el electrodo positivo. El agua desionizada de alta pureza se produce de forma continua, similar al tratamiento de intercambio iónico. La eliminación completa de iones del agua es posible si se cumplen las condiciones adecuadas. El agua normalmente se trata previamente con una unidad de ósmosis inversa para eliminar los contaminantes orgánicos no iónicos y con membranas de transferencia de gas para eliminar el dióxido de carbono . Es posible una recuperación de agua del 99% si la corriente de concentrado se alimenta a la entrada de RO.
Desinfección
La desinfección se logra filtrando los microorganismos dañinos y agregando productos químicos desinfectantes. El agua se desinfecta para matar cualquier patógeno que pase a través de los filtros y para proporcionar una dosis residual de desinfectante para matar o inactivar los microorganismos potencialmente dañinos en los sistemas de almacenamiento y distribución. Los posibles patógenos incluyen virus , bacterias , como Salmonella , Cólera , Campylobacter y Shigella , y protozoos , como Giardia lamblia y otros criptosporidios . Después de la introducción de cualquier agente desinfectante químico, el agua generalmente se mantiene en un almacenamiento temporal, a menudo llamado tanque de contacto o pozo transparente , 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 oxidante fuerte que mata rápidamente a muchos microorganismos dañinos. Debido a que el cloro es un gas tóxico, existe el peligro de una liberación asociada con su uso. Este problema se evita mediante el uso de hipoclorito de sodio , que es una solución relativamente económica que se utiliza en la lejía doméstica que libera cloro libre cuando se disuelve en agua. Las soluciones de cloro se pueden generar en el sitio electrolizando soluciones de sal común. Una forma sólida, el hipoclorito de calcio , libera cloro al entrar en contacto con el agua. Sin embargo, manipular el sólido requiere un contacto humano más rutinario a través de la apertura de bolsas y el vertido que el uso de cilindros de gas o lejía, que se automatizan más fácilmente. La generación de hipoclorito de sodio líquido es económica y también más segura que el uso de cloro gaseoso o sólido. Los niveles de cloro de hasta 4 miligramos por litro (4 partes por millón) se consideran seguros en el agua potable.
Todas las formas de cloro se utilizan ampliamente, a pesar de sus respectivos inconvenientes. Un inconveniente es que el cloro de cualquier fuente reacciona con compuestos orgánicos naturales en el agua para formar 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 de los Estados Unidos (EPA) y la Inspección de Agua Potable del Reino Unido. La formación de THM y ácidos haloacéticos puede minimizarse mediante la eliminación eficaz de tantos orgánicos del agua como sea posible antes de la adición de cloro. Aunque el cloro es eficaz para matar bacterias, tiene una eficacia limitada contra los protozoos patógenos que forman quistes en el agua, como Giardia lamblia y Cryptosporidium .
Desinfección con dióxido de cloro
El dióxido de cloro es un desinfectante de acción más rápida que el cloro elemental. Se usa relativamente raramente porque en algunas circunstancias puede crear cantidades excesivas de clorito , que es un subproducto regulado a niveles bajos permitidos en los Estados Unidos. El dióxido de cloro puede suministrarse como una solución acuosa y agregarse al agua para evitar problemas de manipulación de gases; Las acumulaciones de dióxido de cloro gaseoso pueden detonar espontáneamente.
Cloraminación
El uso de cloramina es cada vez más común como desinfectante. Aunque la cloramina no es un oxidante tan fuerte, proporciona un residuo más duradero 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 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 experimentar nitrificación , ya que el amoníaco es un nutriente para el crecimiento bacteriano, y los nitratos se generan como subproducto.
Desinfección con ozono
El ozono es una molécula inestable que cede fácilmente un átomo de oxígeno proporcionando un poderoso agente oxidante que es tóxico para la mayoría de los organismos acuáticos. Es un desinfectante muy fuerte y de amplio espectro que se usa ampliamente en Europa y en algunos municipios de Estados Unidos y Canadá. La desinfección con ozono, o la ozonización, es un método eficaz para inactivar los protozoos dañinos que forman quistes. También funciona bien contra casi todos los demás patógenos. El ozono se produce al pasar oxígeno a través de 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. Algunas de las ventajas 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 un desinfectante residual en el agua, se puede agregar cloro o cloramina en todo el sistema de distribución para eliminar cualquier patógeno potencial en la tubería de distribución.
El ozono se ha utilizado en plantas de agua potable desde 1906, cuando se construyó la primera planta industrial de ozonización en Niza , Francia. La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos ha aceptado el ozono como seguro; y se aplica como agente anti-microbiológico para el tratamiento, almacenamiento y procesamiento de alimentos. Sin embargo, aunque se forman menos subproductos por ozonización, se ha descubierto que el ozono reacciona con los iones bromuro en el agua para producir concentraciones del bromato carcinógeno sospechoso . El bromuro se puede encontrar en los suministros de agua dulce en concentraciones suficientes para producir (después de la ozonización) más de 10 partes por billón (ppb) de bromato, el nivel máximo de contaminante establecido por la USEPA. La desinfección con ozono también consume mucha energía.
Desinfección ultravioleta
La luz ultravioleta (UV) es muy eficaz para inactivar quistes, en agua de baja turbidez. La efectividad de la desinfección de la luz ultravioleta disminuye a medida que aumenta la turbidez, como resultado de la absorción , dispersión y sombras causadas por los sólidos en suspensión. La principal desventaja del uso de la radiación ultravioleta 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 se hace a menudo mediante la adición de cloraminas, discutidas anteriormente como desinfectante primario. Cuando se usan de esta manera, las cloraminas proporcionan un desinfectante residual eficaz con muy pocos de los efectos negativos de la cloración.
Más de 2 millones de personas en 28 países en desarrollo utilizan la desinfección solar para el tratamiento diario del agua potable.
Radiación ionizante
Al igual que los rayos UV, la radiación ionizante (rayos X, rayos gamma y haces de electrones) se ha utilizado para esterilizar el agua.
Bromación y yodinización
El bromo y el yodo también se pueden utilizar como desinfectantes. Sin embargo, el cloro en el agua es tres veces más eficaz como desinfectante contra Escherichia coli que una concentración equivalente de bromo , y más de seis veces más eficaz que una concentración equivalente de yodo . El yodo se usa comúnmente para la purificación de agua portátil y el bromo es común como desinfectante de piscinas .
Purificación de agua portátil
Hay dispositivos y métodos portátiles de purificación de agua disponibles para la desinfección y el tratamiento en situaciones de emergencia o en lugares remotos. La desinfección es el objetivo principal, ya que las consideraciones estéticas como el sabor, olor, apariencia y trazas de contaminación química no afectan la seguridad a corto plazo del agua potable.
Opciones de tratamiento adicionales
- Fluoración del agua : en muchas áreas se agrega fluoruro al agua con el objetivo de prevenir la caries dental . El fluoruro generalmente se agrega después del proceso de desinfección. En los Estados Unidos, la fluoración se logra habitualmente mediante la adición de ácido hexafluorosilícico , que se descompone en agua, produciendo iones fluoruro.
- Acondicionamiento del agua: este es un método para reducir los efectos del agua dura. En los sistemas de agua sujetos a dureza por calentamiento, las sales se pueden depositar ya que la descomposición de los iones bicarbonato crea iones carbonato que precipitan de la solución. El agua con altas concentraciones de sales de dureza se puede tratar con carbonato de sodio (carbonato de sodio) que precipita el exceso de sales, a través del efecto de 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 afirma que varios otros métodos de tratamiento de agua industrial y residencial (sin aceptación científica general) incluyen el uso de campos magnéticos y / o eléctricos que reducen los efectos del agua dura.
- Reducción de la plomería : en áreas con aguas naturalmente ácidas de baja conductividad (es decir, lluvia superficial en montañas de rocas ígneas), el agua puede ser capaz de disolver el plomo de cualquier tubería de plomo por la que se transporta. La adición de pequeñas cantidades de ion fosfato y aumentar ligeramente el pH, ambos ayudan a reducir en gran medida la solvencia plumb al crear sales de plomo insolubles en las superficies internas de las tuberías.
- Eliminación de radio: algunas fuentes de agua subterránea contienen radio , un elemento químico radiactivo. Las fuentes típicas incluyen muchas fuentes de agua subterránea al norte del río Illinois en Illinois , Estados Unidos de América. El radio se puede eliminar mediante intercambio iónico o mediante acondicionamiento de agua. El retrolavado o lodo que se produce es, sin embargo, un residuo radiactivo de baja actividad .
- Eliminación de fluoruro: aunque se agrega fluoruro al agua en muchas áreas, algunas áreas del mundo tienen niveles excesivos de fluoruro natural en la fuente de agua. Los niveles excesivos pueden ser tóxicos o causar efectos cosméticos indeseables, como manchas en los dientes. Los métodos para reducir los niveles de fluoruro son mediante el tratamiento con alúmina activada y medio filtrante de carbón de huesos .
Otras técnicas de purificación de agua
A continuación se enumeran otros métodos populares para purificar el agua, especialmente para suministros privados locales. En algunos países, algunos de estos métodos se utilizan para suministros municipales a gran escala. Particularmente importantes son la destilación ( desalinización del agua de mar ) y la ósmosis inversa.
Térmico
Llevar el agua a su punto de ebullición (alrededor de 100 ° C o 212 F al nivel del mar) es la forma más antigua y efectiva, ya que elimina la mayoría de los microbios que causan enfermedades intestinales , pero no puede eliminar las toxinas químicas o las impurezas. Para la salud humana, no se requiere la esterilización completa del agua, ya que los microbios resistentes al calor no afectan los intestinos. El consejo tradicional de hervir agua durante diez minutos es principalmente para mayor seguridad, ya que los microbios comienzan a expirar a temperaturas superiores a 60 ° C (140 ° F). Aunque el punto de ebullición disminuye al aumentar la altitud, no es suficiente para afectar la desinfección. En áreas donde el agua es "dura" (es decir, que contiene importantes sales de calcio disueltas), la ebullición descompone los iones de bicarbonato , lo que produce una precipitación parcial como carbonato de calcio . Este es el "pelaje" que se acumula en los elementos de la caldera, etc., en áreas de agua dura. Con la excepción del calcio, la ebullición no elimina los solutos de mayor punto de ebullición que el agua y, de hecho, aumenta su concentración (debido a que parte del agua se pierde en forma de vapor). Hervir no deja un desinfectante residual en el agua. Por lo tanto, el agua que se hierve y luego se almacena durante un período de tiempo puede adquirir nuevos patógenos.
Adsorción
El carbón activado granular es una forma de carbón activado con una gran superficie. Adsorbe muchos compuestos, incluidos muchos compuestos tóxicos. El agua que pasa a través del carbón activado se usa comúnmente en regiones municipales con contaminación orgánica, sabor u olores. Muchos filtros de agua domésticos y peceras utilizan filtros de carbón activado para purificar el agua. Los filtros domésticos para el agua potable a veces contienen plata en forma de nanopartículas de plata metálica . Si el agua se mantiene en el bloque de carbón durante períodos más prolongados, los microorganismos pueden crecer en el interior, lo que resulta en incrustaciones y contaminación. Las nanopartículas de plata son un excelente material antibacteriano y pueden descomponer compuestos haloorgánicos tóxicos, como pesticidas, en productos orgánicos no tóxicos. El agua filtrada debe usarse poco después de filtrarla, ya que la pequeña cantidad de microbios restantes puede proliferar con el tiempo. En general, estos filtros domésticos eliminan más del 90% del cloro en un vaso de agua tratada. Estos filtros deben reemplazarse periódicamente, de lo contrario, el contenido bacteriano del agua podría aumentar debido al crecimiento de bacterias dentro de la unidad de filtro.
Destilación
La destilación implica hervir agua para producir vapor de agua . El vapor entra en contacto con una superficie fría donde se condensa como líquido. Debido a que los solutos normalmente no se vaporizan, 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 vaporizar transportadas con el vapor. Sin embargo, se puede obtener agua pura al 99,9% por destilación.
La destilación por membrana de contacto directo (DCMD) pasa agua de mar calentada a lo largo de la superficie de una membrana de polímero hidrófobo . El agua evaporada pasa del lado caliente a través de los poros de la membrana formando un chorro de agua fría pura en el otro lado. La diferencia de presión de vapor entre el lado frío y el caliente ayuda a empujar las moléculas de agua.
Osmosis inversa
La ósmosis inversa implica la aplicación de presión mecánica para forzar el agua a través de una membrana semipermeable . Los contaminantes quedan en el otro lado de la membrana. La ósmosis inversa es teóricamente el método más completo de purificación de agua a gran escala disponible, aunque es difícil crear membranas semipermeables perfectas. A menos que las membranas estén bien mantenidas, las algas y otras formas de vida pueden colonizar las membranas.
Cristalización
El dióxido de carbono u otro gas de bajo peso molecular se puede mezclar con agua contaminada a alta presión y baja temperatura para formar de forma exotérmica cristales de hidrato de gas. El hidrato puede separarse mediante centrifugación o sedimentación. El agua se puede liberar de los cristales de hidrato por calentamiento.
Oxidación in situ
La oxidación química in situ (CIUO) es un proceso de oxidación avanzado. Se utiliza para la remediación de suelos y / o aguas subterráneas para reducir las concentraciones de contaminantes específicos. La CIUO se logra inyectando o introduciendo oxidantes en el medio contaminado (suelo o agua subterránea) para destruir los contaminantes. Se puede utilizar para remediar una variedad de compuestos orgánicos, incluidos algunos que son resistentes a la degradación natural.
Biorremediación
La biorremediación utiliza microorganismos para eliminar los productos de desecho de un área contaminada. Desde 1991, la biorremediación ha sido una táctica sugerida para eliminar impurezas como alcanos, percloratos y metales. La biorremediación ha tenido éxito porque los percloratos son muy solubles, lo que dificulta su eliminación. Ejemplos de aplicaciones de la cepa CKB de Dechloromonas agitata incluyen estudios de campo llevados a cabo en Maryland y el suroeste de Estados Unidos.
Peróxido de hidrógeno
Peróxido de hidrógeno ( H
2O
2) es un desinfectante común que puede purificar el agua. Por lo general, se produce en plantas químicas y se transporta al agua contaminada. Un enfoque alternativo emplea un catalizador de oro-paladio para sintetizar H
2O
2de átomos de hidrógeno y oxígeno ambientales en el sitio de uso. Se informó que este último era más rápido y 10 7 veces más potente para matar Escherichia coli que el H comercial
2O
2y más de 108 veces más eficaz que el cloro. La reacción catalítica también produce especies reactivas de oxígeno (ROS) que se unen y degradan otros compuestos.
Seguridad y controversias
En abril de 2007, el suministro de agua de Spencer, Massachusetts, en los Estados Unidos de América, se contaminó con un exceso de hidróxido de sodio (lejía) cuando su equipo de tratamiento no funcionó correctamente.
Muchos municipios han pasado del cloro libre a la cloramina como agente desinfectante. Sin embargo, la cloramina parece ser un agente corrosivo en algunos sistemas de agua. La cloramina puede disolver la película "protectora" dentro de las líneas de servicio más antiguas, lo que lleva a la filtración de plomo a los grifos residenciales. Esto puede resultar en una exposición dañina, que incluye niveles elevados de plomo en sangre . El plomo es una neurotoxina conocida .
Agua desmineralizada
La destilación elimina todos los minerales del agua, y los métodos de membrana de ósmosis inversa y nanofiltración eliminan la mayoría de los minerales. Esto da como resultado agua desmineralizada que no se considera agua potable ideal . La Organización Mundial de la Salud ha investigado los efectos sobre la salud del agua desmineralizada desde 1980. Los experimentos en humanos encontraron que el agua desmineralizada aumentaba la diuresis y la eliminación de electrolitos , con una disminución de la concentración de potasio en el suero sanguíneo . El magnesio , el calcio y otros minerales en el agua pueden ayudar a proteger contra la deficiencia nutricional. El agua desmineralizada también puede aumentar el riesgo de metales tóxicos porque lixivia más fácilmente los materiales de las tuberías como el plomo y el cadmio, lo que se evita con los minerales disueltos como el calcio y el magnesio. El agua con bajo contenido de minerales se ha implicado en casos específicos de intoxicación por plomo en los bebés, cuando el plomo de las tuberías se filtraba a tasas especialmente altas en el agua. Las recomendaciones para el magnesio se han establecido en un mínimo de 10 mg / L con un óptimo de 20 a 30 mg / L; para el calcio, un mínimo de 20 mg / L y un óptimo de 40-80 mg / L, y una dureza total del agua (agregando magnesio y calcio) de 2 a 4 mmol / L. Con una dureza del agua superior a 5 mmol / L, se ha observado una mayor incidencia de cálculos biliares, cálculos renales, cálculos urinarios, artrosis y artropatías. Además, los procesos de desalinización pueden aumentar el riesgo de contaminación bacteriana.
Los fabricantes de destiladores de agua domésticos afirman lo contrario: que los minerales en el agua son la causa de muchas enfermedades y que la mayoría de los minerales beneficiosos provienen de los alimentos, no del agua.
Historia
Los primeros experimentos sobre filtración de agua se realizaron en el siglo XVII. Sir Francis Bacon intentó desalinizar el agua de mar pasando el flujo a través de un filtro de arena . Aunque su experimento no tuvo éxito, marcó el comienzo de un nuevo interés en el campo. Los padres de la microscopía , Antonie 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.
Filtro de arena
El primer uso documentado de filtros de arena para purificar el suministro de agua data de 1804, cuando el propietario de una grada en Paisley, Escocia , John Gibb, instaló un filtro experimental, vendiendo su excedente no deseado al público. Este método fue perfeccionado en las siguientes dos décadas por ingenieros que trabajaban para empresas privadas de agua, y culminó en el primer suministro público de agua tratada del mundo, instalado por el ingeniero James Simpson para Chelsea Waterworks Company en Londres en 1829. Esta instalación proporcionó filtros agua para todos los residentes de la zona, y el diseño de la red se copió ampliamente en todo el Reino Unido en las décadas siguientes.
La práctica del tratamiento del agua pronto se convirtió en corriente principal y común, y las virtudes del sistema se hicieron evidentes tras las investigaciones del médico John Snow durante el brote de cólera de 1854 en Broad Street . Snow se mostró escéptico de la teoría del miasma entonces dominante que afirmaba que las enfermedades eran causadas por "malos aires" nocivos. Aunque la teoría de los gérmenes de la enfermedad aún no se había desarrollado, las observaciones de Snow lo llevaron a descartar la teoría predominante. Su ensayo de 1855 Sobre el modo de comunicación del cólera demostró de manera concluyente el papel del suministro de agua en la propagación de la epidemia de cólera en el Soho , con el uso de un mapa de distribución de puntos y pruebas estadísticas para ilustrar la conexión entre la calidad de la fuente de agua y el cólera. casos. Sus datos convencieron al consejo local de desactivar la bomba de agua, lo que rápidamente puso fin al brote.
La Ley del Agua de Metropolis introdujo por primera vez la regulación de las empresas de suministro de agua en Londres , incluidos los estándares mínimos de calidad del agua. La ley "preveía asegurar el suministro a la metrópoli de agua pura y saludable" y exigía que toda el agua se "filtrara eficazmente" a partir del 31 de diciembre de 1855. A esto se le dio seguimiento con la legislación para la inspección obligatoria de la calidad del agua, incluida una amplia análisis químicos, en 1858. Esta legislación sentó un precedente mundial para intervenciones estatales similares de salud pública en toda Europa . La Comisión Metropolitana de Alcantarillados se formó al mismo tiempo, se adoptó la filtración de agua en todo el país y se establecieron nuevas tomas de agua en el Támesis sobre la esclusa de Teddington . Los filtros de presión automáticos, donde el agua se somete a presión a través del sistema de filtración, se innovaron en 1899 en Inglaterra.
Cloración de agua
John Snow fue el primero en utilizar con éxito el cloro para desinfectar el suministro de agua en el Soho que ayudó a propagar el brote de cólera. William Soper también usó cal clorada para tratar las aguas residuales producidas por los pacientes con fiebre tifoidea en 1879.
En un artículo publicado en 1894, Moritz Traube propuso formalmente la adición de cloruro de cal ( hipoclorito de calcio ) al agua para hacerla "libre de gérmenes". Otros dos investigadores confirmaron los hallazgos de Traube y publicaron sus artículos en 1895. Los primeros intentos de implementar la cloración del agua en una planta de tratamiento de agua se realizaron en 1893 en Hamburgo , Alemania , y en 1897 la ciudad de Maidstone , Inglaterra fue la primera en tener todo su suministro de agua. tratado con cloro.
La cloración permanente del agua comenzó en 1905, cuando un filtro de arena lento defectuoso y un suministro de agua contaminado provocaron una grave epidemia de fiebre tifoidea en Lincoln, Inglaterra . El Dr. Alexander Cruickshank Houston utilizó la cloración del agua para detener la epidemia. Su instalación alimentaba una solución concentrada de cloruro de cal al agua que se estaba tratando. La cloración del suministro de agua ayudó a detener la epidemia y, como precaución, se continuó con la cloración hasta 1911, cuando se instituyó un nuevo suministro de agua.
El primer uso continuo de cloro en los Estados Unidos para la desinfección tuvo lugar en 1908 en el embalse de Boonton (en el río Rockaway ), que servía de suministro para Jersey City, Nueva Jersey . La cloración se logró mediante adiciones controladas de soluciones diluidas de cloruro de cal ( hipoclorito de calcio ) en dosis de 0,2 a 0,35 ppm. El proceso de tratamiento fue concebido por el Dr. John L. Leal y la planta de cloración fue diseñada por George Warren Fuller. Durante los años siguientes, la desinfección con cloro utilizando cloruro de cal se instaló rápidamente en los sistemas de agua potable de todo el mundo.
La técnica de purificación del agua potable mediante el uso de cloro gas licuado comprimido fue desarrollada por un oficial británico del Servicio Médico de la India , Vincent B. Nesfield, en 1903. Según su propio relato:
Se me ocurrió que el cloro gaseoso podría resultar satisfactorio ... si se pudieran encontrar los medios adecuados para usarlo ... La siguiente pregunta importante era cómo hacer que el gas fuera portátil. Esto se puede lograr de dos maneras: licuándolo y almacenándolo en recipientes de hierro revestidos de plomo, con un chorro con un canal capilar muy fino y equipado con un grifo o un tapón de rosca. Se abre el grifo y se coloca el cilindro en la cantidad de agua necesaria. El cloro burbujea y en diez a quince minutos el agua es absolutamente segura. Este método sería de utilidad a gran escala, como para los carros de agua de servicio.
El comandante del ejército estadounidense Carl Rogers Darnall , profesor de química en la Escuela de Medicina del Ejército , dio la primera demostración práctica de esto en 1910. Poco después, el comandante William JL Lyster del Departamento Médico del Ejército utilizó una solución de hipoclorito de calcio en una bolsa de lino para tratar agua. Durante muchas décadas, el método de Lyster siguió siendo el estándar para las fuerzas terrestres estadounidenses en el campo y en los campamentos, implementado en la forma del familiar Lyster Bag (también deletreado Lister Bag). Este trabajo se convirtió en la base de los sistemas actuales de depuración de agua municipal .
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales . Asociación Estadounidense de Salud Pública. 2005. ISBN 978-0-87553-047-5.
- Maestría, Gilbert M. Introducción a la Ingeniería Ambiental. 2ª ed. Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall, 1998.
- EPA de EE. UU. "Agua subterránea y agua potable". Descripción general de los temas del agua potable e información detallada sobre el programa regulatorio de EE. UU. (Actualizado 2012-03-07.)
enlaces externos
- Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas
- "Agua del grifo: lo que necesita saber". - Guía del consumidor sobre agua potable en los EE. UU. (EPA)
- Desinfección de emergencia de agua potable - Camping, senderismo y viajes (CDC)
- Código de Regulaciones Federales, Título 40, Parte 141 - Regulaciones Primarias de Agua Potable Nacional de EE. UU.