La cloración se emplea en las partes finales de los tratamientos de potabilización, desalación, incluso depuración. En este proceso se busca eliminar los microorganismos que puedan haber sobrevivido a los procesos anteriores. Además de lograr la destrucción de patógenos, también sirve para eliminar sólidos minerales y orgánicos no deseados.
El propósito fundamental del tratamiento del agua es proteger al consumidor de impurezas, que pueden ser dañinas para la salud humana. Un objetivo secundario es tratar las impurezas que, aunque no son directamente perjudiciales para la salud, pueden causar problemas como corrosión y decoloración.
El cloro es el desinfectante y oxidante más utilizado en el tratamiento del agua potable. Sin embargo, su elevada reactividad puede originar transformaciones químicas no deseadas cuando entra en contacto con la materia orgánica, el amonio y otros compuestos presentes en el agua. Entre los productos que pueden formarse se encuentran las cloraminas, los cloratos, los percloratos y diversos compuestos orgánicos clorados.
Fundamentos de la cloración del agua
Debido a estos casos y otros similares, se emplea el proceso de desinfección con cloro. El cloro es un producto químico de gran poder bactericida y remanente. Este compuesto químico logra destruir las enzimas fundamentales para la vida de estos agentes patógenos.
El cloro es el reactivo más usado para desinfectar el agua destinada al consumo humano. La hipótesis más aceptada sobre cómo actúan y destruyen los desinfectantes a los microorganismos, se centra en las alteraciones físicas químicas y bioquímicas sobre la membrana o pared celular y de las enzimas.
El sentido de desplazamiento de estas reacciones de equilibrio depende del pH del medio. Se considera que el ácido hipocloroso es más eficaz como desinfectante que el ión hipoclorito. Este hecho podría estar motivado con la inexistencia de carga en la molécula de ácido hipocloroso.
Según diferentes estudios químicos, los datos muestran que el hipoclorito presenta diferente actividad bactericida a distintos valores de pH. Cuando el pH desciende de 7,5 la cantidad de hipoclorito necesaria para desinfectar un agua es mucho menor que para valores de pH superiores a 7,5. Por lo tanto, el cloro es más eficaz en medio acido que en medio básico o alcalino.
Otro aspecto destacable en el uso de cloro como desinfectante es el tiempo de contacto con el agua. Su efecto aumenta con el tiempo de contacto entre el agua y el cloro.
Preparación del agua antes de la desinfección
En estos procesos se eliminan los sólidos en suspensión que pueden afectar la eficacia de la desinfección. Por ejemplo, la instalación de barreras como la coagulación y la filtración, que eliminan las impurezas por precipitación y captura de partículas.
El objetivo principal del tratamiento antes de la desinfección es preparar el agua para una desinfección eficaz y fiable. La eliminación previa de sólidos en suspensión y de parte de la materia orgánica permite reducir las interferencias durante la cloración y facilita el control del cloro residual.
La materia orgánica natural y los compuestos nitrogenados presentes en el agua tienen una importancia especial, porque pueden reaccionar con el cloro y consumir una parte de la dosis aplicada. Estas reacciones modifican la cantidad de cloro libre disponible y pueden favorecer la formación de subproductos de desinfección.
Especies de cloro y función del pH
Durante la cloración, el cloro añadido al agua participa en reacciones de equilibrio que determinan la presencia de ácido hipocloroso, ión hipoclorito y cloro combinado. La proporción entre estas especies no es constante y depende principalmente del pH del medio.
| Condición | Consecuencia descrita |
|---|---|
| pH inferior a 7,5 | La cantidad de hipoclorito necesaria para desinfectar un agua es mucho menor. |
| pH superior a 7,5 | La actividad bactericida del hipoclorito es diferente y el cloro resulta menos eficaz que en medio ácido. |
| Mayor tiempo de contacto | El efecto desinfectante aumenta con el tiempo de contacto entre el agua y el cloro. |
Etapas de la cloración
El proceso de clorar agua para consumo humano tiene tres etapas. Cada proceso tiene equipos y procedimientos diferentes.
Precloración
Precloración: En esta etapa la cantidad de cloro necesaria para superar se agrega el punto de interrupción. Esto garantiza que el nivel de cloro residual sea apropiado para una desinfección más lejos.
Desinfección en planta
Desinfección en planta: Esta etapa se lleva a cabo dentro del depósito de desinfección. En esta fase, se produce la desinfección del agua tratada. El jefe de planta determina el tiempo de contacto necesario para mantener un nivel residual de cloro. De esta forma, asegura que no se ha producido la contaminación microbiológica.
Postcloración
Postcloración: Cuando el agua ha salido del tanque anterior, se puede aportar una cantidad de cloro adicional. El objetivo será garantizar que los niveles de cloro residual sean adecuados en los puntos de consumo.
El punto de ruptura y la formación de cloraminas
El breakpoint del cloro es un término utilizado en el proceso de desinfección mediante la cloración del agua. El punto de ruptura o “break point” es la dosis mínima de cloro necesaria para eliminar el amoníaco y parcialmente destruye las cloraminas que se formaron previamente.
A partir del punto de ruptura, es decir, con la formación del cloro libre, se empiezan a cumplir las garantías de desinfección. El punto de ruptura es facilmente reconocible. Esto es debido al mal olor que desprende la mayor parte de los compuestos formados.
Según hemos visto, el cloro libre es la forma de cloro que tiene propiedades desinfectantes efectivas. Durante el proceso de cloración, se añade cloro al agua para eliminar patógenos y microorganismos.
En un primer momento, el cloro reacciona con la materia orgánica y amonio presente en el agua. A medida que se sigue agregando cloro, se alcanza el breakpoint cloro, y se produce una reacción química que convierte el amonio en cloraminas.
El término «cloraminas» describe los tres compuestos que se pueden formar a partir de la reacción del amoníaco con el cloro: la monocloramina, la dicloramina y la tricloramina. Estos compuestos se forman en instalaciones de agua potable al realizar la cloraminación.
El objetivo de la cloraminación es la formación completa de monocloramina, así como evitar la formación de dicloraminas y tricloraminas. Se ha determinado que el ratio 5:1 Cl 2:N es el mejor ratio de carga. Esta proporción evita la formación de dicloramina, al tiempo que minimiza el amoníaco no reaccionado y controla la nitrificación y la formación de biopelículas.
| Compuesto | Características indicadas |
|---|---|
| Monocloramina | Desinfectante menos potente que el cloro, el ozono o el dióxido de cloro, pero más persistente en el agua potable. |
| Dicloramina | Compuesto que se pretende evitar durante la cloraminación. |
| Tricloramina | Compuesto que se pretende evitar durante la cloraminación. |
Condiciones operativas y equipos de dosificación
Existen en el mercado diversos sistemas de dosificación de cloro.
- un tanque de almacenamiento de hipoclorito sódico bien dimensionado para garantizar una autonomía de al menos 15 días al caudal y dosis de la planta.
- un equipo de dosificación compuesto por dos bombas dosificadoras de membrana.
Con el objetivo de aumentar el tiempo de contacto se emplean los laberintos de cloración. Además es importante que la mezcla del agua tratada con el reactivo se realice correctamente antes de entrar al depósito de agua tratada o al sistema de abastecimiento.
El tiempo de contacto suele oscilar entre 20 y 30 minutos a caudal medio. La velocidad en el canal o laberinto debe ser de 2-4 m/min.
Concentraciones de cloro y presencia ambiental
Según diversos estudios científicos, el nivel medio de concentración de cloro en el aire ambiente es 1 mg/m3. Por otra parte, el cloro está presente en la mayoría del agua potable desinfectado a concentraciones de 0,2-1 mg/litro.
También encontramos niveles de cloro en la comida. Por ejemplo, la harina blanqueada con cloro contiene cloruro a niveles en el rango de 1,3-1,9 g/kg.
Cómo se forman los compuestos organoclorados
Los compuestos organoclorados constituyen un grave problema en la contaminación de nuestros recursos hídricos. El uso de estos compuestos está muy extendido y en algunos casos su sustitución es difícil.
Los contaminantes presentes en el medio acuático son el reflejo de las sustancias químicas empleadas en procesos industriales y en la formulación de productos comerciales. Así, existe una larga tradición en el empleo de compuestos orgánicos clorados debido a sus propiedades físicas y químicas, que les dan aplicaciones como disolventes, líquidos hidráulicos, refrigerantes, fitosanitarios, preservadores de madera, limpiadores, etc.
Durante la cloración, el desinfectante no solo actúa sobre los microorganismos. También reacciona con las sustancias orgánicas presentes en el agua. Cuando esas sustancias contienen estructuras susceptibles de cloración, pueden producirse compuestos orgánicos clorados.
La formación de estos compuestos depende de la composición del agua, de la cantidad y naturaleza de la materia orgánica, de la dosis de cloro, del pH, del tiempo de contacto y de las condiciones de mezcla. Por este motivo, la cloración debe entenderse como un proceso de desinfección que requiere simultáneamente control químico y control microbiológico.
La preocupación por la presencia de compuestos organoclorados en el medio acuático se deriva de los efectos nocivos de estas sustancias sobre el medio ambiente y sobre los organismos.
Los Compuestos Organoclorados (OCs) forman parte de los Compuestos Orgánicos Persistentes (COPs) por su presencia en todo el planeta, su bioestabilidad y su lenta biodegradación, su acumulación en los tejidos grasos y su vida media larga.
Los beneficios de estos compuestos como pesticidas sintéticos son innegables, pero la preocupación por sus posibles efectos adversos sobre la salud a largo término ha ido en aumento en los últimos tiempos.
Importancia de la materia orgánica y del amonio
En un primer momento, el cloro reacciona con la materia orgánica y amonio presente en el agua. Estas reacciones consumen cloro y generan especies químicas diferentes de las que proporcionan el cloro libre.
La reacción con el amonio conduce a la formación de cloraminas. La reacción con partículas de fenol en suspensión puede producir sabores clorofenólicos.
El dióxido de cloro se usa en plantas de abastecimiento de agua. Es más frecuente en plantas con presencia de sabores clorofenólicos en el agua producto. Este efecto es consecuencia de la cloración de agua con partículas de fenol en suspensión.
La eliminación de sólidos en suspensión mediante coagulación y filtración es, por tanto, una medida importante para mejorar la eficacia de la desinfección y disminuir la cantidad de sustancias capaces de reaccionar con el cloro.
Cloratos y percloratos asociados a la desinfección
La eliminación de cloratos y percloratos del agua es un tema de gran relevancia para la salud pública y la calidad del agua. Estas sustancias químicas pueden provenir de diversas fuentes, incluyendo procesos industriales y agrícolas, así como la desinfección del agua.
La comprensión del origen y la presencia de cloratos y percloratos en las aguas es esencial para abordar el problema de su contaminación. Los cloratos y percloratos se introducen en el medio ambiente a través de varias actividades humanas, sobre todo en la agricultura y la industria.
En el ámbito agrícola, estos compuestos se utilizan en forma de herbicidas y fungicidas, contribuyendo significativamente a la contaminación de las fuentes hídricas.
Durante el tratamiento del agua, especialmente en procesos convencionales que utilizan cloro para la desinfección, se pueden formar cloratos y percloratos. Esta formación ocurre principalmente a través de interacciones químicas entre el cloro y ciertos compuestos presentes en el agua.
La distribución de cloratos y percloratos en las aguas potables y regeneradas ha aumentado en las últimas décadas. Esto es el resultado de la combinación de fuentes de contaminación industriales y agrícolas, así como de los procesos de tratamiento de agua.
La presencia de cloratos y percloratos en el agua potable plantea riesgos importantes para la salud de los seres humanos. La exposición a cloratos y percloratos se ha relacionado con alteraciones en la función tiroidea.
Los fetos y neonatos son particularmente vulnerables a los efectos de cloratos y percloratos. La investigación indica que ciertos individuos con predisposición genética, como aquellos portadores de variantes en genes relacionados con la función tiroidea, pueden estar en mayor riesgo ante la exposición a estos compuestos.
Algunas poblaciones son más propensas a experimentar los efectos adversos de la exposición a cloratos y percloratos. Las mujeres embarazadas y lactantes deben ser objeto de atención especial. Los niños de corta edad son más susceptibles a los efectos tóxicos de estas sustancias, ya que su sistema endocrino aún se está desarrollando.
Regulación y control de cloratos y percloratos
Resulta esencial realizar una adecuada evaluación del riesgo para comprender las exposiciones potenciales a estos compuestos en la población. Estudios epidemiológicos y análisis de datos son necesarios para identificar patrones de exposición y efectos en diferentes grupos demográficos.
La normativa relacionada con los cloratos y percloratos es fundamental para garantizar la calidad del agua y proteger la salud pública. La Unión Europea ha desarrollado un marco regulatorio que aborda la presencia de cloratos y percloratos, orientado a la protección de los consumidores y el medio ambiente.
El Reglamento (UE) 2020/749 establece límites específicos para los niveles de cloratos y percloratos en productos alimentarios. Este reglamento se actualiza periódicamente, incorporando modificaciones que reflejan nuevos hallazgos científicos sobre los riesgos que estos compuestos representan.
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) desempeña un papel crucial en la evaluación de riesgos relacionados con la exposición a cloratos y percloratos. Su labor incluye la investigación y revisión de las implicaciones de estos compuestos en la salud humana.
En el ámbito nacional, España ha implementado normativas específicas que se alinean con las directrices europeas, enfocándose en el control de la calidad del agua potable. El marco regulatorio requiere que las autoridades competentes realicen análisis constantes del agua potable, asegurándose de que se respeten los límites establecidos.
Las empresas del sector alimentario deben cumplir estrictamente con las normativas que regulan la presencia de cloratos y percloratos. Estas regulaciones están diseñadas para garantizar la seguridad de los productos que llegan al consumidor final.
A la vez, es esencial que las empresas mantengan una colaboración activa con las autoridades de salud pública, promoviendo la transparencia en los procesos de control y gestión de la calidad del agua.
Alternativas a la cloración
Sin embargo, existen otras alternativas a la cloración del agua para lograr su desinfección.
Ozono
El ozono es un poderoso oxidante y un excelente desinfectante. Se utiliza para el tratamiento del agua potable en muchas plantas de abastecimiento de agua en todo el mundo. El ozono no deja residuos en el sistema de distribución. Se descompone rápidamente en el agua.
Dióxido de cloro
El dióxido de cloro se usa en plantas de abastecimiento de agua. Es más frecuente en plantas con presencia de sabores clorofenólicos en el agua producto.
Sin embargo, el inconveniente del uso de este desinfectante es que produce clorito y clorato. Estas sustancias deben controlarse cuidadosamente, ya que son especies relativamente tóxicas.
Monocloramina
La monocloramina es un desinfectante menos potente que el cloro, el ozono o el dióxido de cloro. Pero, su ventaja es que se trata de un compuesto más persistente en el agua potable.
Tecnologías para eliminar cloratos y percloratos
Para abordar la problemática de los cloratos y percloratos en el agua, se han desarrollado diversas tecnologías en las plantas de tratamiento.
Ósmosis inversa
La ósmosis inversa es un proceso fundamental en la purificación del agua contaminada por cloratos y percloratos. Este método se basa en el uso de membranas semipermeables que permiten el paso del agua, pero actúan como barreras para los solutos como los cloratos y percloratos.
La ósmosis inversa puede ser utilizada tanto en plantas industriales como en aplicaciones domésticas. En el ámbito industrial, se emplea para tratar grandes volúmenes de agua, garantizando que el líquido resultante cumpla con las normativas de calidad requeridas.
Filtración y adsorción
Cuando se trata de filtrar cloratos y percloratos, los sistemas de filtración y adsorción presentan una alternativa viable y complementaria a la ósmosis inversa.
Los filtros de carbón activado son uno de los métodos más utilizados para la adsorción de contaminantes. Este tipo de filtración se basa en la capacidad del carbón activado para atrapar moléculas a su paso.
La eficacia de los sistemas de filtración depende directamente del mantenimiento regular y la optimización del proceso. Es crucial garantizar que los filtros se reemplacen o limpien de forma adecuada.
Tratamientos químicos
Los tratamientos químicos son otra opción viable para eliminar cloratos y percloratos. La inyección de agentes reductores en el agua tratada puede facilitar la conversión de cloratos y percloratos en compuestos menos dañinos.
Es fundamental implementar un control riguroso de la dosis de productos químicos utilizados en el tratamiento de aguas.
Monitorización y buenas prácticas operativas
La adecuada gestión de cloratos y percloratos en el sector hídrico es esencial para garantizar la calidad del agua tratada.
La implementación de un sistema de monitorización continua es fundamental para identificar y controlar la presencia de cloratos y percloratos. Este proceso permite realizar un seguimiento constante de los niveles de estas sustancias en el agua.
El análisis de los datos recopilados es igualmente crucial. Incorporar buenas prácticas operativas es vital para optimizar la eliminación de cloratos y percloratos en las plantas de tratamiento.
La formación y concienciación son elementos clave en la gestión de cloratos y percloratos. Es necesario desarrollar programas que informen tanto a las empresas como a las comunidades sobre la importancia de mantener los estándares de calidad del agua.
La implementación de un sistema robusto de seguimiento y evaluación es crucial para garantizar la seguridad del agua tratada.
Compuestos organoclorados como contaminantes persistentes
Los Compuestos Organoclorados (OCs) forman parte de los Compuestos Orgánicos Persistentes (COPs) por su presencia en todo el planeta, su bioestabilidad y su lenta biodegradación, su acumulación en los tejidos grasos y su vida media larga.
Los OCs se han dispersado y distribuido por todo el planeta. En los seres humanos la vía de exposición mayoritaria es a través de la dieta rica en grasa, y diversos estudios han mostrado que en España muchos de los alimentos de consumo habitual (carne, pescado, huevos, leche y derivados lácticos) contienen p,p’DDE, PCBs, HCB e isómeros de HCH.
El aire y el consumo de agua son también vías de exposición ambiental. Se almacenan en órganos ricos en grasa, como el hígado o el cerebro, y también se encuentran en suero o en la leche materna.
Estos compuestos pasan la barrera placentaria, y los lactantes los incorporan unas 20 veces más que los adultos.
Estudios realizados en recién nacidos para evaluar los posibles efectos de estos compuestos en poblaciones expuestas a niveles habituales del mundo desarrollado, han demostrado una ligera asociación entre la exposición prenatal a PCBs y el crecimiento y el desarrollo motor y cognitivo posterior.
Tratamiento de aguas contaminadas con compuestos orgánicos clorados
La contaminación de aguas por compuestos orgánicos clorados es un problema que causa creciente preocupación y que encuentra solución mediante el tratamiento con hidrógeno en presencia de un catalizador.
La eliminación de los compuestos orgánicos clorados de las aguas residuales no es un asunto sencillo. Los compuestos orgánicos clorados son tóxicos e inhiben la actividad de los microorganismos empleados en los tratamientos biológicos convencionales, lo que dificulta no solo la eliminación de los organoclorados, sino también la del resto de la materia orgánica.
La hidrodecloración es una tecnología con un interesante potencial para el tratamiento de aguas contaminadas con organoclorados, ya que es específica para la destrucción de dichos compuestos.
Principio de la hidrodecloración
La hidrodecloración consiste en la rotura de enlaces carbono-cloro en moléculas orgánicas mediante la intervención de una fuente de hidrógeno. Como consecuencia de esta reacción se consigue la eliminación de cloro de moléculas orgánicas.
El caso más común es la eliminación de cloro, pero la tecnología también es válida para otros halógenos.
La hidrodecloración no tiene por objetivo la destrucción de las moléculas orgánicas resolviendo por completo el problema de contaminación, sino la transformación de los organoclorados en otras moléculas más fáciles de tratar.
Transformación del 2-clorofenol
Un ejemplo es el tratamiento de aguas contaminadas por 2-clorofenol. El 2-clorofenol es una molécula con una alta ecotoxicidad, lo que determina que sea muy difícil de tratar en sistemas biológicos convencionales.
Solamente microorganismos especialmente adaptados y mantenidos en equipos con unas características determinadas tienen capacidad para eliminarlo.
Mediante la hidrodecloración el 2-clorofenol puede ser convertido en fenol, que tiene una toxicidad diez veces menor. El fenol también es difícil de degradar, pero la degradación se puede conseguir con mucha mayor facilidad que en el caso del 2-clorofenol.
Pero además ocurre que en las condiciones en las que se lleva a cabo la hidrodecloración las moléculas orgánicas pueden incorporar también hidrógeno en insaturaciones y en grupos funcionales, por lo que el fenol puede derivar hasta cilohexanona y ciclohexanol, una molécula menos tóxica y que además es más biodegradable al haber perdido el carácter aromático.
Reactivos y catalizadores
El reactivo más habitual para llevar a cabo la hidrodecloración de aguas contaminadas en el hidrógeno molecular, ya que no aporta nuevos contaminantes al agua.
La rotura de los enlaces carbono-hidrógeno en presencia de hidrógeno molecular no es sencilla, por lo que la reacción debe realizarse en presencia de un catalizador.
Los catalizadores empleados son muy diversos. Uno de los mayores inconvenientes de la hidrodecloración está en los costes asociados al catalizador y al hidrógeno.
En el caso de los catalizadores se han producido avances considerables que permiten disponer de catalizadores con una considerable vida útil.
Tratamiento secuencial de hidrodecloración y oxidación
De acuerdo con el trabajo, un tratamiento previo de aguas residuales industriales mediante el proceso de hidrodecloración catalítica permite obtener compuestos no clorados, lo que reduce la toxicidad del efluente.
“La etapa de hidrodecloración permite eliminar de forma rápida y segura los contaminantes clorados dando lugar a productos orgánicos no clorados. El catalizador desarrollado presenta además propiedades magnéticas, lo que facilita su recuperación del medio de reacción. Dichos productos fueron totalmente eliminados en el proceso de oxidación utilizando un 50% de la dosis estequiométrica de agua oxigenada, alcanzándose la total descomposición de esta y una mineralización cercana al 50% en todos los casos. Macarena Munoz, Zahara M. de Pedro, Jose A. Casas, Juan J. Rodriguez. Chlorophenols breakdown by a sequential hydrodechlorination-oxidation treatment with a magnetic PdeFe/g-Al2O3 catalyst.
Oxidación en agua supercrítica
Desde los años ochenta se ha venido desarrollando la oxidación en agua supercrítica. Esta tecnología para destruir contaminantes aprovecha las propiedades que presenta el agua en condiciones de presión y temperatura por encima de su punto crítico (221 bar y 374ºC).
Constituye una alternativa a otros procesos como la incineración.
Control integrado de la formación de subproductos
El tratamiento eficaz del agua exige equilibrar la eliminación de microorganismos con el control de las reacciones secundarias del cloro. El objetivo principal del tratamiento antes de la desinfección es preparar el agua para una desinfección eficaz y fiable.
La selección de la dosis, el ajuste del pH, la reducción de la materia orgánica, la correcta mezcla y el control del tiempo de contacto son elementos relacionados entre sí. Una modificación en cualquiera de estas condiciones puede alterar la proporción de cloro libre, cloraminas y otros productos de reacción.
El uso de cloro como desinfectante sigue siendo esencial en numerosos sistemas porque combina un gran poder bactericida con un efecto remanente. Al mismo tiempo, la presencia de compuestos orgánicos clorados, cloratos y percloratos exige aplicar controles analíticos y tecnologías de tratamiento adaptadas a la composición específica del agua.
El impacto de los cloratos y percloratos en el medio ambiente genera preocupación y destaca la necesidad de adoptar medidas eficientes para proteger la salud pública.
La identificación y protección de grupos vulnerables es esencial para reducir los riesgos asociados a la exposición de cloratos y percloratos.
Los tratamientos avanzados desempeñan un papel crucial en la mejora de la calidad del agua, contribuyendo así a la sostenibilidad ambiental.
Las tecnologías de eliminación de cloratos y percloratos no sólo mejoran la salubridad del agua, sino que también ayudan a preservar los ecosistemas acuáticos y la biodiversidad.
Los problemas emergentes de contaminación de aguas hacen necesario el desarrollo de nuevas tecnologías de tratamiento que den respuestas a las nuevas necesidades.
Planta De Tratamiento De Agua Potable La Rivera (Conoce El proceso De Potabilización) - CENTROAGUAS
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