tema desinfecciÓn cloraciÓn, ozonizaciÓn

Ingeniería Ambiental - Grado en Ingeniería de Obras Públicas

I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P1

TEMA DESINFECCIÓN

CLORACIÓN, OZONIZACIÓN

1.- INTRODUCCIÓN 2.- MÉTODOS DE DESINFECCIÓN 3.- CLORACIÓN 3.1.- El cloro y sus compuestos 3.2.- Acción del cloro 3.3.- Cloración al break-point 3.4.- Sistemas de cloración 3.5.- Control de la cloración y aplicaciones 4.- DESINFECCIÓN CON OZONO. GENERALIDADES

1.- INTRODUCCIÓN Se denomina desinfección al proceso de destrucción o de inactivación de los gérmenes patógenos. Desinfección no es lo mismo que esterilización, en la cual se eliminan todos los microorganismos, es decir, se busca un rendimiento de eliminación del 100%. La esterilización no suele ser el objetivo final en el tratamiento de aguas. El objetivo de la desinfección es que el rendimiento sea máximo con el mínimo coste. La eficacia de la desinfección depende de:

• El tipo de desinfectante que se utilice • La dosis de desinfectante • El tipo de gérmenes a eliminar • La concentración de gérmenes en el agua a tratar • El tiempo de contacto entre desinfectante y agua • Otras características del agua:

... cantidad de materia orgánica

... temperatura

... pH, etc.

Por ejemplo, la presencia de materia orgánica empeora los rendimientos de la desinfección, ya que una parte del desinfectante puede ser consumida en la oxidación de esa materia orgánica. 2.- MÉTODOS DE DESINFECCIÓN Se pueden diferenciar tres tipos básicos de desinfección en función de las técnicas que se utilicen:

• Tratamiento físico: Los tratamientos físicos, de los que ya se ha hablado en capítulos anteriores, tenían como objetivo fundamental la eliminación de coloides y de sólidos en suspensión. Los microorganismos pueden estar fijados a las partículas sólidas o quedar incorporados a los flóculos, siendo eliminados del seno del agua junto con los sólidos. El calor es otro posible sistema físico de desinfección, pero es costoso y deja mal sabor al eliminar el OD y parte de las sales disueltas.



Otra posible estrategia de eliminación de gérmenes del seno del agua es dejar pasar el tiempo, es decir, retener el agua a tratar periodos que permitan que los gérmenes fecales, en ambiente hostil, disminuyan su concentración. El concepto sería similar a dejar que se ejerciese el T90.

• Radiación: Se consideran agentes desinfectantes efectivos a varias formas de radiación. La acción desinfectante de la radiación ultravioleta (UV) en una longitud de onda de cerca de 254 nm es bastante fuerte siempre que los organismos se expongan de forma efectiva a la radiación. Para que se dé esta circunstancia es necesario que no haya turbidez y tener en cuenta la absorción de radiación por la materia orgánica presente. Se consiguen desinfecciones eficientes con tiempos de retención muy pequeños, del orden de segundos. La radiación se genera mediante tubos de vapor de mercurio y la demanda energética es bastante alta, de 10 a 20 W/m3·h. Como ventajas la desinfección por UV ofrece la no formación de olores o sabores, y no hay problemas con posibles sobredosis. Su desventaja es que no deja residual, es decir, no queda ninguna protección remanente.

Los rayos x y γγγγ también se pueden utilizar en desinfección.

• Métodos químicos: Para conseguir desinfectar un agua se pueden utilizar productos oxidantes, como el cloro y sus derivados, el ozono, el iodo, el permanganato, etc. Con iones metálicos, cobre, plata, también se puede conseguir desinfección. Los romanos usaron plata coloidal para preservar la calidad del agua en jarras de almacenaje, ya que en concentraciones de 0.05 mg/L la plata es tóxica para la mayoría de los microorganismos. Los ácidos y álcalis, al igual que los tensoactivos, también pueden ejercer acción desinfectante.

En potabilización, los métodos más utilizados son la cloración, la ozonización y la radiación con UV. Mientras que en depuración de aguas residuales lo es la cloración pero seguida muy de cerca por la radiación UV. 3.- CLORACIÓN Todavía la cloración es el método más utilizado para la desinfección tanto de aguas potables como residuales. Se basa en la adición de cloro, o uno de sus derivados, al agua problema para luego de un tiempo de contacto (aprox. 30 minutos) se haya producido la inactivación de la mayoría de los gérmenes, sobre todo de los considerados indicadores cuya concentración final debe ser nula como garantía de agua segura para el consumo humano. 3.1.- EL CLORO Y SUS COMPUESTOS DERIVADOS El cloro, en sus diversas formas, se utiliza de forma generalizada como agente desinfectante del agua. Entre las ventajas que ofrece se pueden citar:

- Se obtiene fácilmente como gas, líquido o polvo - Es barato - Es fácil de aplicar debido a su relativamente alta solubilidad - Deja una concentración residual en el agua potable, que no es dañina para

el hombre y protege el sistema de distribución



- Es muy tóxico para la mayoría de los microorganismos, ya que detiene las actividades metabólicas

Los compuestos de cloro más utilizados en desinfección son los siguientes:

• Cloro gas (Cl2): Es el más utilizado. Se emplea en casi todos los tratamientos de potabilización de medianos y grandes núcleos. Se suministra en forma líquida, en depósitos. Para su dosificación se diluye primero en agua y posteriormente se mezcla con la corriente principal. Se suministra en botellas o bombonas de 50 a 100 Kg, en contenedores, de 500 a 1000 Kg, o a granel, mediante grandes cisternas, en camiones de 10 a 20 toneladas.

• Hipoclorito sódico (NaOCl): Forma líquida, con 150 g Cl/L, de riqueza. Se usa en núcleos medios. La baja riqueza obliga a utilizar grandes cantidades de producto. Se suministra en bidones de 20 a 50 L.

• Hipoclorito cálcico (Ca(OCl)2): Se expende en pastillas. Se utiliza sobre todo en piscinas. Las pastillas tienen un 70 % de cloro activo.

• Dióxido de cloro (ClO2): De uso cada vez más extendido, por el abaratamiento de los costes de producción y de la mayor simplicidad de las instalaciones de almacenamiento y dosificación. Es un producto inestable, por lo que se debe producir "in situ" y aplicar directamente al agua a desinfectar. Tiene un gran poder desinfectante, y no produce olores ni subproductos olorosos. Se suele obtener de una reacción entre gas cloro y clorito de sodio (NaClO2) o de clorito de sodio con ácido clorhídrico (HCl)

• Cloraminas: Se utiliza en la cloración de grandes conducciones. Tiene una gran estabilidad en el agua, por lo que su presencia residual está asegurada. Las cloraminas se producen como combinación del cloro libre y amonio. Son subproductos algo menos activos que el cloro.

3.2.- ACCIÓN DEL CLORO Al añadir cloro gas al agua se produce la siguiente reacción:

Cl H O HOCl HCl2 2+ ← → +

que está prácticamente desplazada a la derecha. El ácido hipocloroso, OHCl, se ioniza o se disocia en iones hidrógeno e hipoclorito en otra ecuación reversible:

HOCl H OCl← → ++ −

El ácido hipocloroso y los iones hipoclorito son los que realizan la desinfección. El grado de ionización depende directamente del valor del pH del agua y la eficacia real de la desinfección depende de la proporción de ácido hipocloroso a iones hipoclorito, siendo tanto mayor cuanto mayor es esta proporción y, por lo tanto, esta eficacia se reduce a altos valores de pH. A valores de pH por debajo de 5 puede existir algo de cloro molecular. El cloro presente en el agua en forma de ácido hipocloroso, iones hipoclorito y cloro molecular se define con la denominación de cloro residual libre.



0

20

40

60

80

1000

20

40

60

80

100

4 5 6 7 8 9 10 11

% O

Cl-

% H

OC

l

pH

0 º C

20 ºC

El cloro presente en el agua, en combinación química con el amoniaco y otros compuestos nitrogenados que actúan como agentes desinfectantes, se conoce como cloro residual combinado. A la suma del cloro libre y el combinado se denomina cloro residual total. 3.3.- CLORACIÓN AL BREAK-POINT

El hecho de que el cloro libre reaccione con el amonio junto con que sea un fuerte agente oxidante complica el mantenimiento de una cantidad residual libre para la desinfección de aguas que contengan amonio y/o formas de materia orgánica, como es el caso de las aguas residuales tratadas. Los fenómenos que resultan de añadir cloro a un agua que contenga amonio se pueden describir en varias etapas:

• Cuando se añade cloro, las sustancias fácilmente oxidables (Fe++, Mn++, H2S

o materia orgánica) reaccionan con el cloro reduciéndolo a ion cloruro. La formación de cloruros no tiene mayor interés en la cloración.

• Una vez satisfecha la demanda inmediata, el cloro libre continua reaccionando con el amonio para formar cloraminas (monocloraminas o dicloraminas en función de las relaciones molares).

• Si se sigue aumentando la dosis de cloro, las dicloraminas empiezan a convertirse en tricloruro de nitrógeno que no es desinfectante pero si volátil, mientras que las cloraminas restantes se oxidan a óxido nitroso y nitrógeno. Llega un momento en que todas las cloraminas se han oxidado. A esta dosis se la denomina de break-point o punto de ruptura.

• La adición de cloro más allá del break-point da como resultado un aumento proporcional de cloro libre disponible (hipoclorito sin reaccionar). De esta forma queda asegurada la desinfección.



0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.10

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Destrucción del cloro residualpor compuestos reductores.

Formación de compuestosorganoclorados y cloraminas

Destrucción de cloraminas ycompuestos organoclorados

Formación de cloro libre y presenciade compuestos organoclorados no destruidos.

Cloro residual libre

Cloro residual combinado

CLO

RO

RE

SID

UA

L m

g/L

DOSIS DE CLORO mg/L

BREAKPOINT

En precloración de aguas superficiales conviene adoptar una dosis de cloro ligeramente superior a la del “break point”, siempre que esto sea posible y no dé lugar a unas dosis demasiado fuertes de cloro. Se consigue así la destrucción total de los gérmenes patógenos, la eliminación máxima de bacterias, de los gérmenes comunes, del plancton y de las cloraminas; se obtiene también el mínimo sabor posible y la máxima decoloración del agua. La eliminación de todas las cloraminas es algo habitual en aguas potables. En un agua pre-potable la presencia de nitrógeno amoniacal significaría la presencia de materia orgánica y por lo tanto de contaminación que debe eliminarse en el tratamiento. 3.4.- SISTEMAS DE CLORACIÓN Las técnicas de almacenamiento, manipulación y dosificación dependerán de las diferentes formas en que podemos encontrar los compuestos de cloro utilizados en desinfección.

• Hipoclorito sódico: Se suele utilizar en pequeñas comunidades. Se presenta en forma líquida. El hipoclorito se almacena en depósitos y se bombea e introduce directamente a la masa de agua mediante una bomba dosificadora. Cuando los consumos son muy bajos se puede diluir el desinfectante en agua para tener que bombear caudales mayores pero con bombas comerciales.

Bombadosificadora

• Cloro gas: Se utiliza en grandes y medianos abastecimientos. Se suministra

en botellas a presión. La presión interna de éstas depende de la temperatura



y se eleva con la misma. La relación viene dada por la curva que se muestra en la figura siguiente.

Curva temperatura – presión para el cloro gaseoso saturado Pueden utilizarse depósitos en forma de botella, provistos en su parte superior de una llave de paso, mediante cuya apertura se obtiene cloro gaseoso a la presión correspondiente a la temperatura del cloro líquido. No es recomendable la inyección del gas directamente al agua, por lo que se utilizan formas indirectas. En el diagrama de la figura siguiente se presentan los elementos de una instalación típica.

Reductor depresión

Líquido

Gas

Rotámetro

Agua a presión Agua clorada alpunto de aplicación

Eyector

El clorador debe suministrar siempre la misma dosis aunque la presión del gas cambie. Una solución habitual es mezclar el gas con agua mediante un sistema de aspiración hidráulica que extrae el cloro de un sistema con dispositivos de regulación y de medición.

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

P (kg-fuerza/cm2)

T (

º C

)Clorogaseoso

Clorolíquido



Cuando los consumos son muy elevados el proceso de evaporación puede llegar a congelar el cloro líquido. En ese caso, se utilizan contenedores horizontales de gas, de los cuales el cloro se puede sacar indistintamente en forma líquida o gaseosa. Se efectúa la toma en la zona gaseosa cuando el caudal necesario no obliga a proceder a un recalentamiento; por el contrario si debe distribuirse un gran caudal de cloro se efectúa la toma en la zona líquida y se envía este cloro por tubería a un depósito de agua o a un depósito calentado artificialmente por medio de un termostato que constituye el evaporador para cloro gas. Es decir, se recurre a una congelación controlada. Para evitar un enfriamiento exagerado, no deben extraerse de un depósito de cloro más de 10 g por hora y por kg de capacidad del depósito.

Hay que tener muy en cuenta en las instalaciones la toxicidad y agresividad del cloro. Se debe colocar sistemas de protección contra fugas y de neutralización. Una vez realizada la dosificación, el agua debe estar en contacto con el cloro un determinado tiempo para que la desinfección sea efectiva. En aguas potables se utilizan tiempos de contacto superiores a los 30 minutos, que se suelen cumplir en los depósitos de almacenamiento. En aguas residuales que se van a verter hay que construir depósitos laberínticos especiales, tanques de desinfección, para tener tiempos de retención superiores a 15 minutos.

Figura.- Sistema de cloración ETAP-Lugo

3.5.- CONTROL DE LA CLORACIÓN Los objetivos fundamentales de la cloración son la desinfección del agua y su protección en el abastecimiento a la población. Es decir, la cloración debe garantizar la seguridad y protección del agua una vez ha salido de la estación de tratamiento. En las conducciones pueden existir focos de contaminación. Si la red se vacía en algún momento puede entrar



agua residual a la red, creando graves problemas sanitarios. En el agua que sale por los grifos debe existir una mínima cantidad de cloro residual de forma obligada. El control del cloro residual se mide tanto en la salida de la estación de tratamiento como en diferentes puntos de la red. Las concentraciones de cloro en grifo deben ser mayores de cero; lo normal es tener concentraciones de 0.1 a 0.9 mg/L. La dosificación de cloro no sólo se realiza al final de la línea de tratamiento de potabilización. Cuando la cloración se realiza al comienzo de la línea de tratamiento, antes de los procesos de coagulación - floculación y decantación, se denomina precloración. En precloración se llega a dosis de diseño de 4 mg/L. En la postcloración se alcanzan dosis del orden de 2 mg/L. También es habitual clorar en depósitos de la red. La concentración final, la del grifo, es la más importante. 4.- DESINFECCIÓN CON OZONO. GENERALIDADES El ozono (O3) es una forma alotrópica e inestable del oxígeno que se produce al someter un flujo de aire (u oxígeno) seco ar una fuerte descarga eléctrica, a temperaturas bajas. El O3 es un gas azul y altamente tóxico con olor picante. Como es un fuerte agente oxidante resulta eficaz como desinfectante. Solo es ligeramente soluble en agua, y esto unido a su inestabilidad (muy rápidamente intenta volver a formar O2), hace que sea difícil dejar o mantener ozono residual en el agua. Por su fuerte carácter oxidante, es útil, además, para la eliminación de olor, sabor, materia orgánica, hierro, manganeso, derivados fenólicos, etc. El ozono tiene que ser producido "in situ". Las descargas eléctricas pueden variar entre 5.000 y 20.000 voltios, con frecuencias entre 50 y 500 Hz. El sistema debe desecar el aire y refrigerar el sistema para optimizar la producción de ozono. El aire se hace pasar por tubos con electrodos que producen descargas continuas. La concentración normal de ozono en el aire ozonizado es, por término medio, de 10 a 20 g/m3, medido a presión atmosférica, y siempre que la desecación del aire sea óptima (punto de rocío entre -40 y -60 ºC). Un ozonizador consume de 14 a 18 Wh por gramo de ozono producido. Una desecación poco eficaz del aire tiene como consecuencia una producción neta menor, consumos eléctricos específicos mayores y el deterioro rápido de los electrodos del ozonizador. El ozono no genera productos residuales extraños, ni olores ni sabores, pero es caro, al consumirse gran cantidad de energía en su producción. Otro inconveniente importante es que no deja residual, por lo que habrá que clorar para asegurar la calidad en la red de abastecimiento. Las dosis de ozono en desinfección suelen ser pequeñas, entre 0.5 y 4 mg/L. Para la fase de contacto con el agua se utilizan tanques cerrados con tiempos de retención de entre 5 y 10 minutos. Después de este tiempo debe existir una concentración residual de O3 de entre 0.3 y 0.5 mg/L. Para eliminar totalmente los gérmenes comunes y los virus, debe mantenerse una concentración de ozono residual de 0.3 a 0.4 mg/L durante un tiempo mínimo de cuatro minutos. Es importante un buen contacto entre las burbujas de aire-ozonizado y el agua. Esto se consigue con buena turbulencia y con el mayor número posible de burbujas. Mientras más fina sea la burbuja mayor será la superficie de contacto. El ozono es poco soluble. El rendimiento de disolución disminuye si la temperatura del agua aumenta y cuando la presión de inyección disminuye.



Figura.- Generador de ozono de la ETAP de Lugo

Tipos de tanque o columna de contacto:

• Mediante inyector: el caudal de agua aspira el aire ozonizado y alimenta por el fondo la columna de contacto. Para que sea eficaz, la aspiración requiere una carga hidráulica mínima de 2 metros.

• Difusor poroso: El agua se introduce a contracorriente, produciendo un contacto intenso con las burbujas muy finas de aire ozonizado. Pueden construirse torres de varios compartimentos, con inyecciones parciales de aire ozonizado a contracorriente.

• Mediante turbina: el agua se introduce en la zona de aspiración de una turbina que la impulsa hacia abajo al encuentro de un flujo de aire ozonizado inyectado bajo la turbina. Una emulsión muy fina (aire-agua) se difunde en la cámara de mezcla anterior al tanque de contacto, y es aspirado de nuevo por la turbina, produciendo una recirculación interna cuyo caudal es varias veces el caudal de tratamiento. De esta forma, el tiempo de contacto total se eleva a unos tres minutos, mientras que un tanque con difusor poroso, una burbuja tarda 20 segundos en llegar a la superficie. También, se reduce al máximo las pérdidas de ozono por fugas del tanque.

agua

inyectoraire-ozono

aguadesinfectada

(a)

(b)

Figura.- Tanque de contacto. (a): sistema de inyector. (b): sistema de difusor



aguadesinfectada

aireozonizado

Figura.- Tanque de contacto mediante turbina

EJERCICIOS

E1.- Cita cinco factores de los que dependa la eficacia de un proceso de desinfección.

E2.- ¿Por qué a pH muy bajo no se consigue desinfectar con cloro?

E3.- ¿Qué es el break-point en un proceso de cloración?

E4.- ¿Qué son las cloraminas?

E5.- Dibuja un esquema básico de una instalación de dosificación de cloro gas.

E6.- ¿Cuáles son los dos objetivos básicos de la cloración en un sistemas de abastecimiento?.

E7.- Cita dos ventajas y dos inconvenientes del uso del ozono como desinfectante en abastecimientos de agua potable.

E8.- Un Hospital para el mejor control sanitario del agua de abastecimiento procede a clorar el agua que le llega de la red municipal. Un buen día la persona que controla este proceso se encuentra con la siguiente contradicción:

- Cloro residual en el agua de la red municipal 0.5 ppm - Dosis añadida en el Hospital 0.5 ppm - Cloro residual después de clorar en el Hospital 0.2 ppm

¿Podrías explicarle lo que puede ocurrir y darle alguna recomendación? E9.- Los siguientes datos fueron obtenidos en un ensayo de cloración. Representarlos gráficamente y determinar la dosis de break-point: Dosis (mg/L)

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00

Residual (mg/L)

0,80 1,55 1,95 1,25 0,50 0,85 1,95

¿Qué dosis se necesita para tener un residual libre de 1 mg/L? E10.- Si la dosis de cloro al break-point en una planta de tratamiento de agua es 5 mg/L, calcular las necesidades de cloro para plantas de 2000, 20 000 y 1 000 000 m3/d de capacidad. Suponer que en todo momento debe haber reserva para 2 semanas.



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tema desinfecciÓn cloraciÓn, ozonizaciÓn

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