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Desinfección del agua con ozonoSimposio regional sobre calidad del agua: desinfección efectiva / Lima 27-9 octubre 1998 Por: Rolf A. Deininger, Janice Skadsen, Larry Sanford, Anthony G. Myers
ResumenAunque el ozono ha sido conocido y usado en el tratamiento del agua durante más de 100 años, su uso como desinfectante en la industria del agua no tiene amplia difusión. Las estadísticas no son muy confiables, pero probablemente lo usan menos de 1 por ciento de las plantas de tratamiento de agua en el mundo. La principal razón de su poco uso son los costos. Comparado con el cloro, es mucho más costoso. Por ello es comprensible que su uso nunca se haya difundido, ya que la industria del agua siempre ha tratado de proveer agua potable al menor costo. Sin embargo, esta situación está cambiando y en realidad muy rápidamente. Los reglamentos para los subproductos de la desinfección en Europa y Estados Unidos y las pautas de organizaciones internacionales, como las de la Organización Mundial de la Salud, obligan a las empresas de agua a reducir los trihalometanos en el agua potable, lo que en muchos casos hace imposible el uso continuo del cloro. Este hecho, junto con la insistencia de los consumidores de recibir agua potable sin sabor ni olor, apunta al uso del ozono ya que no sólo desinfecta sino que también reduce el color y olor mediante la oxidación de las substancias orgánicas que se encuentran en el agua. Este documento describe en forma detallada el proceso de ozonización y, a modo de ejemplo, la reconversión del proceso de tratamiento en la ciudad de Ann Arbor, Michigan, donde se construyó una planta de ozonización del agua hace dos años. Aunque siempre se cumplieron las normas de calidad del agua, el sabor y olor no siempre fueron buenos y aceptables. Luego de la instalación del proceso con ozono, el agua de Ann Arbor fue considerada como la de mejor sabor de Michigan. 1. IntroducciónEl ozono puede ser considerado como un desinfectante "huérfano" porque en todo el mundo su uso en las plantas de tratamiento de agua es muy bajo. No obstante, como se muestra en la siguiente evolución, se le conoce desde hace más de cien años (Rice,1986): 1785 von Marum describe un olor
característico en una máquina electrostática. En los Estados Unidos, antes de 1980 había menos de 10 plantas, en 1995 había cerca de 100 plantas y más de 50 se encuentran en la etapa de diseño o construcción (deMers,1996). En Europa hay miles de plantas. Entonces, ¿por qué no hay más plantas que usen ozono? La sencilla razón es que la industria del agua siempre ha estado preocupada por los costos y ha tratado de proporcionar agua al costo más bajo posible. El cuadro 1 muestra los costos relativos y representativos de los productos químicos usados en las plantas de tratamiento de agua e indica claramente que el cloro es el desinfectante menos costoso (Akness, 1996). Pero cuando se le considera junto con otros productos químicos, no es exorbitante. Cuadro 1. Costo unitario de los productos químicos
La situación está cambiando y en realidad muy rápidamente. Los nuevos reglamentos para la calidad del agua potable, en particular la preocupación por los subproductos de la desinfección, como los trihalometanos, hacen que el uso del cloro ya no sea una opción. Además, la inactivación de virus y otros microorganismos como el Cryptosporidium requeriría altas dosificaciones de cloro que causarían mayores concentraciones de subproductos. Por consiguiente, la elección ideal es un desinfectante potente con bajos niveles de producción de subproductos. Comparado con otros desinfectantes como el cloro, cloraminas y el dióxido de cloro, el ozono es el desinfectante más potente y también el de más rápida acción. El cuadro 2 muestra los valores de concentración por tiempo (CT) para la inactivación de los virus y Giardia tomados del documento de orientación de la EPA de los Estados Unidos (USEPA, 1991). Cuadro 2. Valores de CT para la inactivación por ozono
* (Extraído de USEPA, 1991) Estos valores de CT son el producto de la concentración de ozono en mg/L y el tiempo medido en minutos. Cuando la temperatura es fría se requieren valores más altos que cuando la temperatura es cálida y los valores para la reducción de 3 logaritmos (99,9%) varía de 0,3 a 1,0. Por contraste, los valores para la inactivación de bacterias se encuentran alrededor de 0,1 (Reiff, 1992). Así, es claro que por el momento todo está determinado por los valores de CT para la inactivación de virus y microorganismos. 2. El proceso de ozonizaciónHay tres componentes en un sistema de ozonización: el generador de ozono, el contactor de ozono y un dispositivo de destrucción de ozono. 2.1 La generación de ozono El ozono se produce en un generador de ozono. El gas de insumo puede ser aire u oxígeno puro. Se aplica un voltaje alto (6,000-20,000 V) a dos electrodos y este voltaje produce un arco. En el arco, parte del O2 se transforma en O3. El ozono es muy inestable y se revierte en O2 en minutos. Por ello, al no poder ser trasladado a la planta de tratamiento de agua, el ozono debe generarse en el lugar. Cerca de 1 a 10 por ciento del oxígeno que fluye por los electrodos se transforma en ozono. Cuando se utiliza aire como gas de insumo, la concentración de ozono varía entre 1 y 4 por ciento. Cuando se usa oxígeno puro, la concentración se encuentra entre 4 y 12 por ciento por peso. Cerca de 80 a 95 por ciento de la energía se convierte en calor y se debe retirar con el electrodo conectado a tierra, generalmente mediante enfriamiento del agua. Las variables operativas son la energía aplicada, la eficiencia y el diseño del generador, el flujo del gas de insumo y la temperatura. En la figura 1 se muestra un diagrama de este proceso.
Figura 1. Generador dieléctrico de ozono Los sistemas que proveen aire tienen que extraer el polvo y la humedad del aire. Esto se puede hacer mediante el uso de filtros, secadoras y compresores. Se necesita mucha maquinaria y supervisión. El sistema de oxígeno puro usa oxígeno líquido (OXL) y es mucho más sencillo. Sólo se necesita un vaporizador. 2.2 Contactores de ozono Para que el ozono haga su trabajo de desinfección y oxidación, debe ser traído al agua y dispersado de la manera más sutil posible. Generalmente, esto se realiza a través de difusores de burbujas menudas ubicados en cámaras de deflectores o en un contactor tipo turbina. Los difusores de cámara de deflectores parecen ser los más comunes y el número de cámaras, su geometría, el sistema del difusor y su operación varían de planta en planta y están sujetos a la experiencia de los ingenieros de diseño. La figura 2 muestra el diseño característico para un contactor con cámara de deflectores.
Un contactor de ozono característico generalmente tiene varios compartimientos en serie con difusores de burbuja en el fondo. En el primer compartimiento, el agua fluye hacia abajo en sentido contrario de las burbujas que ascienden y en el segundo compartimiento el agua fluye hacia arriba. Las cámaras se cubren para prevenir el escape de ozono y aumentar la presión parcial del ozono en el contactor. Las cámaras adicionales garantizan el tiempo de contacto entre el ozono y el agua. Cada una de las cámaras tiene puntos de muestreo para que se pueda determinar la concentración de ozono en cada cámara. Esto es necesario para calcular la concentración del producto y tiempo de retención a fin de conseguir el valor requerido de CT. La última cámara todavía debe tener una concentración de ozono de 0,1 ppm. La figura 3 muestra un contactor con difusor de turbina que mezcla el ozono con el agua. Luego, las cámaras de contacto establecen el tiempo de contacto.
Figura 3. Difusor de turbina 2.3 Destrucción del ozono liberado El gas liberado de los contactores de ozono generalmente excede el límite establecido por la Occupational Safety and Health Administration (Administración de la Seguridad y Salud Ocupacional, OSHA) de 0,1 ppm por volumen y consiguientemente el ozono restante se tiene que reciclar o destruir. El gas liberado pasa primero por un desempañador que captura gotitas de agua en una malla de acero inoxidable. Luego, el gas se calienta y pasa por una unidad de destrucción que contiene un catalizador para acelerar el proceso. El requisito de energía oscila entre 1 a 3 kW por 100 pcpme (3 m3/min) del flujo de gas (DeMers,1996). 2.4 Consideraciones de seguridad El ozono existe naturalmente en el ambiente. Probablemente las concentraciones a corto plazo más grandes ocurren cuando los rayos de las tormentas producen ozono. En el ambiente de oficina, el ozono se detecta cerca de las fotocopiadoras. Los soldadores están expuestos al ozono producido por el arco durante el proceso de soldadura. Y los residentes que viven en grandes urbes como Denver, Los Angeles, ciudad de México, Bogotá, Caracas, São Paulo, etc., están expuestos a concentraciones de ozono entre 0,5 a 1,0 ppm cuando el escape de los automóviles e industrias reacciona con la luz solar. Como el ozono es un oxidante fuerte, produce reacciones en el tejido humano, en particular en los pulmones, lo que perjudica la respiración. Los ojos y la nariz también se ven afectados. La OSHA ha establecido los límites para los ambientes de trabajo que se presentan en el cuadro
Exposición Límites
En una planta de tratamiento de agua, los monitores de ozono vigilan continuamente las concentraciones de ozono en el agua de las celdas del contactor, en el aire del escape de gas, y en el aire ambiental en y alrededor de la construcción de ozono. Las alarmas generales se activan a una concentración de 0,1 ppm y los generadores de ozono se cierran instantáneamente a una concentración de 0,3 ppm. Esto es un gran avance frente a la prueba del "olfato" usada en las plantas antiguas de Europa (Reiff, 1992). Los cierres de los sistemas de ozono debido a fugas han sido poco comunes, pero sí ocurren debido a fugas alrededor de accesorios y grifos de muestreo. Pero los operadores en plantas de tratamiento de agua probablemente están mejor protegidos que los residentes urbanos. 3. La planta de tratamiento de agua de Ann ArborLa planta de tratamiento de agua de Ann Arbor es una planta de ablandamiento con cal que usa agua del río Hurón (85%) y agua de pozo (15%). El agua del río y del pozo es muy dura y la dureza se elimina a través del agregado de cal (CaO). Luego del ablandamiento, el agua se filtra con una capa del CAG (carbono activado granular) de un espesor de 40 a 60 cm que se encuentra sobre una capa de 15 cm de arena gruesa con una malla de 0,45 a 0,55 mm. Las Antes de la instalación del proceso de ozonización, el agua recibía cloraminas dos veces, una en la toma del río y otra, justo antes del almacenamiento del agua tratada en el reservorio de la planta de tratamiento. La cloración del agua no se consideró como una opción ya que el contenido orgánico del agua de río es alto y conduciría a altos niveles de THM. Con las cloraminas se puede garantizar el tiempo de contacto para la inactivación de los virus. En consecuencia, se convirtió la planta para usar ozono como el desinfectante primario y cloraminas como desinfectante secundario a fin de mantener un residual en el sistema de distribución. En la figura 4 se muestra un diagrama de los procesos de la planta.
Figura 4. Diagrama de la planta de tratamiento
No existen dos aguas similares, por ello, es esencial un estudio piloto de la planta para determinar los parámetros adecuados de diseño y operación del sistema de ozonización. En 1990, la PTA de Ann Arbor realizó un estudio piloto de la planta de ozonización durante las estaciones de agua caliente y fría. La instalación piloto se colocó en un remolque con clima controlado que contenía el equipo de generación de ozono y contactores, filtros piloto y un laboratorio para efectuar análisis de rutina. Los objetivos primarios para el estudio piloto de la planta de ozono fueron determinar:
Los resultados del estudio piloto fueron sumamente útiles para el diseño final de las instalaciones y ahorraron millones de dólares en costos de capital y operación a Ann Arbor, a cambio de una inversión moderada en el estudio piloto. Las principales conclusiones del estudio piloto fueron:
5. Reconversión de la planta de tratamiento de aguaEn 1992 comenzó el diseño final de las instalaciones de ozono. Un punto importante fue la ubicación física de las instalaciones de ozono en la planta, la que se encuentra sumamente congestionada con viviendas residenciales. Una solución fue construir los contactores de ozono entre dos clarificadores con sólo algunos pies de espacio libre en cada lado. El generador de ozono se construyó en la parte superior del contactor porque literalmente no había otro espacio disponible. Se realizaron provisiones especiales para sellar la parte superior de los contactores y evitar fugas hacia la construcción. La hidráulica de la planta fue otro tema importante del diseño. La ubicación elegida tenía tuberías en los alrededores, por ello, la tubería de entrada y salida del contactor fueron relativamente cortas. Sin embargo, al no haber carga suficiente entre los clarificadores y filtros para el proceso de ozono, se construyó una estación de bombeo de baja capacidad justo antes de los contactores de ozono que usaban bombas sumergibles. Esto proporcionó la carga suficiente para bombear a los contactores de ozono y flujo de gravedad al resto de la planta. Se eligió el oxígeno líquido (OXL) como el gas de insumo por las siguientes razones:
Los contactores de ozono constan de cuatro trenes paralelos con un tiempo de contacto de ocho minutos y un flujo máximo de diseño de 200.000 m3/día (50 mgd). Cada tren tiene siete celdas. Se puede agregar el ozono a través de la difusión de burbujas finas en dos celdas o a través de un sistema eductor en línea en la primera celda. Los contactores también tienen capacidad para reciclar el ozono liberado en el sistema eductor. Las pruebas del trazador hidráulico indican que los contactores se acercan a 80% del flujo a pistón. Un factor principal es la placa del deflector colocada en la primera celda para la distribución homogénea del flujo. Hay cuatro generadores de ozono que pueden producir 250 kg/día (550 ppd) de ozono. El sistema de enfriamiento del agua es un sistema de circuito cerrado con un enfriador para el agua caliente. Los destructores del gas de ozono liberado son termales-catalíticos. En 1996 se completó la planta de ozono y ha estado en funcionamiento durante dos años. La instalación satisface los criterios de diseño y la calidad del agua ha mejorado significativamente. 6. Estudio de operación y subproductosLuego de concluir los agregados a la planta y después de varios meses de uso, se vigilaron minuciosamente dos períodos de operación. Uno durante febrero y marzo de 1997 con una temperatura del agua de 10 oC y el otro de agosto a septiembre de 1997 con una temperatura promedio de 20 oC. Los períodos se llamarán frío y caliente, respectivamente. Los valores de CT necesarios para la inactivación de virus durante el período frío fueron de 0,5 mg/L*min y durante el caliente de 0,25 mg/L*min. Los valores de CT logrados fueron en realidad 2 mg/L*min durante el período frío y 0,5mg/L*min durante el caliente. MICROORGANISMOS: Se monitoreó el agua sin tratar para detectar Giardia, Cryptosporidium y virus entéricos. En el agua sin tratar se encontraron algunos en muy bajas concentraciones, mientras que en el agua tratada no. BROMUROS: Se monitorearon los niveles de bromuro tanto durante las estaciones de agua fría como caliente. Las concentraciones promedio fueron de 80 m g/L y no hubo diferencia significativa entre las estaciones. BROMATOS: Los bromatos se detectaron durante ambas estaciones y generalmente fueron alrededor de 5 m g/L, muy por debajo del límite actualmente propuesto de 10 m g/L ALDEHÍDOS: Los aldehídos se formaron durante el proceso de ozonización y el compuesto principal fue el formaldehído. Las concentraciones variaron de 20 a 40 m g/L. Fueron extraídos parcialmente por filtración con CAG y durante la estación fría las concentraciones en el agua tratada fueron alrededor de 20 m g/L y durante la estación caliente alrededor de 10 m g/L. Esto indica que cuando la temperatura es más caliente, los filtros con CAG son biológicamente más activos. AHA, NHA, TTHM: Se monitorearon y encontraron ácidos haloacéticos, nitrilos haloacéticos y trihalometanos totales en concentraciones sumamente bajas. La figura 5 indica que el valor de pH del agua parece tener un efecto tanto en los TTHM como en los AHA.
Figura 5. THM y AHA6 en el agua tratada El valor promedio de 5 m g/L de TTHM y el valor promedio de 2 m g/L de AHA muestran que los procesos se encuentran bajo control. El valor de los NHA (nitrilos haloacéticos) fue mucho menor y principalmente por debajo de 1m g/L. COT: El carbono orgánico total principalmente se extrajo en la etapa de ablandamiento. El agua del río Hurón es bastante dura (300 mg/L de CaCO3) y con el agregado de cal se ablanda aproximadamente a 130 mg/L. El COT característico en el agua del río se encuentra entre 6 y 7 mg/L y después del ablandamiento se redujo a cerca de 3 mg/L. El proceso de ozonización reduce una cantidad pequeña de COT, generalmente alrededor de cuatro por ciento. No hay una diferencia significativa entre la estación de agua fría y caliente. La filtración con CAG promedia aproximadamente 15 por ciento de remoción del COT, con una remoción de 20 por ciento durante el período caliente y una reducción de 10 por ciento durante el período frío. Por lo tanto, toda la planta elimina cerca de 60 por ciento del COT. En la figura 6 se muestra la variedad y promedio de la remoción de COT.
Figura 6. Remoción de COT mediante procesos de planta COA: El carbono orgánico asimilable es una preocupación, ya que puede estimular nuevamente el crecimiento de bacterias en el sistema de distribución. La figura 7 muestra el aumento del COA durante el proceso de ozonización. Mientras el COA promedio en el agua luego del ablandamiento es cerca de 50 m g/L, después de la ozonización esa cantidad es tres veces mayor. Contrariamente a las predicciones de que el recuento de bacterias en el sistema de distribución debería elevarse, esto no ha sucedido incluso durante la estación caliente.
Figura 7. Aumento del COA debido a la ozonización COSTOS: Los gráficos de la figura 8 y 9 muestran los costos durante la estación fría y caliente y los efectos del pH. Aproximadamente, los costos durante la estación fría son tres veces mayor que durante la caliente. Esto se puede explicar por el hecho de que durante la estación fría se usó una concentración de ozono tres veces mayor para satisfacer los requisitos de la CT.
Figura 8. Costos de los compuestos químicos,
Figura 9. Costos de los compuestos 7. ConclusionesLos consumidores de agua potable de Ann Arbor están muy complacidos con la calidad del agua. Las tarifas del agua han subido, pero no al punto que los consumidores miren los medidores de agua. En efecto, si se considera el costo del agua en comparación con otros servicios como el gas, electricidad o teléfono, todavía es un precio bajo. Al usar el ozono como un desinfectante primario, la calidad del agua potable ha mejorado enormemente y cumplirá cualquier reglamento presente y futuro a pesar que la fuente principal de agua contiene gran cantidad de compuestos orgánicos. Se producen subproductos pero en concentraciones tan bajas que no representan una preocupación para la salud pública. Si bien el ozono es hoy lo que se puede llamar un desinfectante "huérfano" debido a su reducido uso en el nivel mundial, se puede predecir con toda seguridad que su uso se incrementará en el futuro. 8. Referencias
Referencia adicional:
Actualizado
el 23/Feb/99 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
