Purificación del agua

Sala de control y esquemas de la planta de purificación de agua de Lac de Bret, Suiza

La purificación del agua es el proceso de eliminar sustancias químicas indeseables, contaminantes biológicos, sólidos suspendidos 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. La historia de la purificación del agua incluye una amplia variedad de métodos. 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 la luz ultravioleta.

La purificación del agua puede reducir la concentración de partículas, incluidas partículas en suspensión, parásitos, bacterias, algas, virus y hongos, así como reducir la concentración de una variedad de partículas y partículas disueltas.

Los estándares para la calidad del agua potable generalmente los establecen los gobiernos o los estándares internacionales. Estos estándares generalmente incluyen concentraciones mínimas y máximas de contaminantes, según el uso previsto del agua.

Una inspección visual no puede determinar si el agua tiene la calidad adecuada. Los procedimientos simples, como la ebullición o el uso de un filtro doméstico de carbón activado, 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 natural, considerada segura para todos los propósitos prácticos en el siglo XIX, ahora debe analizarse antes de determinar qué tipo de tratamiento, si corresponde, se necesita. Los análisis químicos y microbiológicos, aunque costosos, son la única forma de obtener la información necesaria para decidir el método de purificación adecuado.

Fuentes de agua

1. Agua subterránea: El agua que emerge de algunas aguas subterráneas profundas puede haber caído como lluvia hace muchas decenas, cientos o miles de años. Las capas de suelo y roca filtran naturalmente el agua subterránea a un alto grado de claridad y a menudo, no requiere tratamiento adicional además de añadir cloro o cloromenos como desinfectantes secundarios. Tal agua puede emerger como manantiales, manantiales artesianos, o puede ser extraída de pozos o pozos. El agua subterránea profunda generalmente es de muy alta calidad bacteriológica (es decir, las bacterias patógenas o el protozoo patógeno generalmente están 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 el agua ha fluido, otros iones también pueden estar presentes incluyendo cloruro y bicarbonato. Puede haber un requisito para reducir el contenido de hierro o manganeso de este agua para que sea aceptable para el consumo de bebidas, cocina y lavandería. También se puede requerir desinfección primaria. Cuando 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), las aguas subterráneas pueden requerir tratamiento adicional dependiendo de las regulaciones estatales y federales aplicables.
2. Lagos y embalses: Típicamente ubicados en las cabeceras de los sistemas fluviales, los embalses continentales suelen ser ubicados por encima de cualquier habitación humana y pueden estar rodeados por una zona protectora para restringir las oportunidades de contaminación. Los niveles de bacterias y patógenos son generalmente bajos, pero algunas bacterias, protozoa o algas estarán presentes. Donde las tierras altas están boscosas o peaty, los ácidos húmicos pueden colorear el agua. Muchas fuentes continentales tienen un pH bajo que requiere ajuste.
3. Ríos, canales y depósitos de tierras bajas: Las aguas bajas de superficie terrestre tendrán una carga bacteriana significativa y también pueden contener algas, sólidos suspendidos y una variedad de componentes disueltos.
4. 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 condenando así vapor de agua.
5. La recolección de agua de lluvia o niebla que recoge agua de la atmósfera se puede utilizar especialmente en áreas con estaciones secas significativas y en áreas que experimentan niebla incluso cuando hay poca lluvia.
6. Desalination of seawater by distillation or reverse osmosis.
7. Agua superficial: Los cuerpos de agua dulce que están abiertos a la atmósfera y no son designados como aguas subterráneas se denominan aguas superficiales.

Tratamiento

Procesos típicos de tratamiento del agua potable

Objetivos

Los objetivos del tratamiento son eliminar los componentes no deseados del agua y hacerla segura para beber o apta para un propósito específico en aplicaciones industriales o médicas. Están disponibles técnicas muy variadas para eliminar contaminantes como sólidos finos, microorganismos y algunos materiales inorgánicos y orgánicos disueltos, o contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes. La elección del método dependerá de la calidad del agua a tratar, el costo del proceso de tratamiento y los estándares de calidad esperados del agua procesada.

Los procesos a continuación son los que se usan comúnmente en las plantas de purificación de agua. Es posible que algunos o la mayoría no se usen según la escala de la planta y la calidad del agua cruda (fuente).

Pretratamiento

1. Bombeo y contención – La mayoría del agua debe ser bombeada de su fuente o dirigida en tuberías o tanques de retención. Para evitar añadir contaminantes al agua, esta infraestructura física debe hacerse con materiales apropiados y construirse para que no se produzca contaminación accidental.
2. Proyecciónver también filtro de pantalla) – El primer paso en purificar el agua superficial es eliminar grandes escombros como palos, hojas, basura y otras partículas grandes que pueden interferir con pasos posteriores de purificación. La mayoría de las aguas subterráneas profundas no necesitan detección antes de otros pasos de purificación.
3. Almacenamiento – El agua procedente de los ríos también puede almacenarse en depósitos bancarios durante períodos entre unos pocos días y muchos meses para permitir la purificación biológica natural. Esto es especialmente importante si el tratamiento es por filtros de arena lentos. Los depósitos de almacenamiento también proporcionan un búfer contra períodos cortos de sequía o permiten mantener el suministro de agua durante incidentes de contaminación transitoria en el río fuente.
4. Pre-cloración – En muchas plantas el agua entrante fue clorada para minimizar el crecimiento de los organismos de manipulación en el trabajo de tuberías y tanques. Debido a los posibles efectos adversos de calidad (véase cloro infra), esto se ha suspendido en gran medida.

Ajuste de pH

El agua pura tiene un pH cercano a 7 (ni alcalino ni ácido). 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 que varían ampliamente según la geología de la cuenca de drenaje o el acuífero y la influencia de los aportes 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, elevando 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. Alcalinizar el agua 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. Una 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 bajar el pH. El agua alcalina (por encima de pH 7.0) no significa necesariamente que el plomo o el cobre del sistema de plomería no se disolverán en el agua. La capacidad del agua para precipitar el carbonato de calcio para proteger las superficies metálicas y reducir la probabilidad de que los metales tóxicos se disuelvan en el agua depende del pH, el contenido de minerales, la temperatura, la alcalinidad y la concentración de calcio.

Coagulación y floculación

Estación para tratamiento de agua complejo SKO-10K

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 en y entre las partículas. En cuestión de segundos, las cargas negativas de las partículas son neutralizadas por coagulantes inorgánicos. También en cuestión de segundos, comienzan a formarse precipitados de hidróxido metálico de los iones de hierro y aluminio. Estos precipitados se combinan en partículas más grandes bajo procesos naturales como el movimiento browniano y mediante mezcla inducida que a veces se denomina floculación. Los hidróxidos de metales amorfos se conocen como "floc". Los grandes hidróxidos amorfos de aluminio y hierro (III) adsorben y atrapan partículas en suspensión y facilitan la eliminación de partículas mediante procesos posteriores de sedimentación y filtración.

Los hidróxidos de aluminio se forman dentro de un rango de pH bastante estrecho, por lo general: 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, por lo general: 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 rápida y de alta energía (tiempo de detención en segundos) mediante el cual se agregan los productos químicos coagulantes seguidos de tanques 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 continúan una vez que se agregan los coagulantes de sales metálicas.

Los polímeros orgánicos se desarrollaron en la década de 1960 como auxiliares de 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 llevan cargas negativas, positivas o neutras. Cuando se agregan polímeros orgánicos al agua con partículas, los compuestos de alto peso molecular se adsorben en las superficies de las partículas y, a través de los puentes entre partículas, se unen con otras partículas para formar flóculos. PolyDADMAC es un polímero orgánico catiónico (cargado positivamente) popular que se usa en las plantas de purificación de agua.

Sedimentación

Las aguas que salen de la cuenca de floculación pueden ingresar a la cuenca de sedimentación, también llamada cuenca de sedimentación o clarificador. Es un tanque grande con bajas velocidades de 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 del centro hacia afuera. El flujo de salida del depósito de sedimentación generalmente se realiza sobre un vertedero, por lo que solo sale una capa superior delgada de agua, la más alejada del lodo.

En 1904, Allen Hazen demostró que la eficiencia de un proceso de sedimentación estaba en función de la velocidad de sedimentación de las partículas, el flujo a través del tanque y el área superficial del tanque. Los tanques de sedimentación generalmente están diseñados dentro de un rango de tasas de desbordamiento de 0,5 a 1,0 galones por minuto por pie cuadrado (o 1250 a 2500 litros por metro cuadrado por hora). En general, la eficiencia de la cuenca de sedimentación no está en función del tiempo de detención o la profundidad de la cuenca. Aunque, la profundidad de la cuenca debe ser suficiente para que las corrientes de agua no perturben los lodos 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 aglomeraciones de partículas. Los tiempos típicos de detención 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 los tubos inclinados aumentan drásticamente el área de superficie disponible para eliminar las partículas de acuerdo con la teoría original de Hazen. La cantidad de superficie terrestre ocupada por un estanque de sedimentación con placas o tubos inclinados puede ser mucho menor que un estanque de sedimentación convencional.

Almacenamiento y eliminación de lodos

A medida que las partículas se asientan en el fondo de un tanque de sedimentación, se forma una capa de lodo en el piso del tanque que debe ser removida y tratada. La cantidad de lodos generados es significativa, a menudo del 3 al 5 por ciento del volumen total de agua a tratar. El costo de tratar y eliminar los lodos puede afectar el costo operativo de una planta de tratamiento de agua. El depósito de sedimentación puede estar equipado con dispositivos mecánicos de limpieza que limpian continuamente su fondo, o el depósito puede dejarse fuera de servicio periódicamente y limpiarse manualmente.

Decantadores de manta Floc

Una subcategoría de la sedimentación es la eliminación de partículas atrapadas en una capa de flóculos suspendidos a medida que el agua es forzada hacia arriba. La principal ventaja de los clarificadores de manto de flóculos es que ocupan un espacio más pequeño que la sedimentación convencional. Las desventajas son que la eficiencia de eliminación de partículas puede ser muy variable según los cambios en la calidad del agua entrante y el caudal de agua entrante.

Flotación por aire disuelto

Cuando las partículas que se van a eliminar no se asientan fácilmente de la solución, a menudo se utiliza la flotación por aire disuelto (DAF). Después de los procesos de coagulación y floculación, el agua fluye hacia los tanques DAF, donde los difusores de aire en el fondo del tanque crean burbujas finas que se adhieren al flóculo y dan como resultado una masa flotante de flóculo concentrado. El manto de flóculos flotantes 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 suspendidas restantes y los flóculos no sedimentados.

Filtros rápidos de arena

Vista cortada de un filtro de arena rápido típico

El tipo de filtro más común es un filtro rápido de arena. El agua se mueve verticalmente a través de la arena que a menudo tiene una capa de carbón activado o 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 mayor que el de las partículas suspendidas más pequeñas, por lo que la filtración simple 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 pasa agua rápidamente hacia arriba a través del filtro, en dirección opuesta a la normal (llamado lavado a contracorriente o lavado a contracorriente) 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 en el proceso de retrolavado; esto se conoce como lavado de aire. Esta agua contaminada se puede desechar junto con los lodos de la balsa 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 el agua. agua cruda.

Algunas plantas de tratamiento de agua emplean filtros de presión. Estos funcionan según el mismo principio que los filtros de gravedad rápidos, con la diferencia de que el medio filtrante está encerrado en un recipiente de acero y el agua es forzada a través de él bajo presión.

Ventajas:

• Filtra partículas mucho más pequeñas que los filtros de papel y arena.
• Filtra prácticamente todas las partículas más grandes que sus tamaños de poro especificados.
• Son bastante delgadas y los líquidos fluyen a través de ellos bastante rápido.
• Son razonablemente fuertes y pueden soportar diferencias de presión a través de ellos de ambientes típicamente 2–5.
• Pueden ser limpiados (removidos) y reutilizados.

Filtros lentos de arena

Filtración "artificial" lenta (una variación de la filtración bancaria) en el suelo en la planta de purificación de Agua Káraný, República Checa

Perfil de capas de grava, arena y arena fina utilizados en una planta de filtro de arena lenta.

Se pueden usar filtros de arena lentos donde haya suficiente terreno y espacio, ya que el agua fluye muy lentamente a través de los filtros. Estos filtros se basan en procesos de tratamiento biológico para su acción en lugar de filtración física. Se construyen cuidadosamente utilizando capas graduadas de arena, con la arena más gruesa, junto con un poco de grava, en el fondo 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 desinfectante, lo que reduce la irritación del consumidor por los niveles ofensivos de cloro y sus derivados. Los filtros de arena lentos no se lavan a contracorriente; se mantienen raspando la capa superior de arena cuando el flujo finalmente se obstruye por el crecimiento biológico.

Filtración de banco

En la filtración de bancos, los sedimentos naturales de la orilla de un río se utilizan para proporcionar la primera etapa de filtración de contaminantes. Si bien por lo general no es lo suficientemente limpia como para usarse directamente como agua potable, el agua obtenida de los pozos de extracción asociados es mucho menos problemática que el agua del río extraída directamente del río.

Filtración por membrana

Los filtros de membrana se utilizan ampliamente para filtrar tanto agua potable como aguas residuales. Para el agua potable, los filtros de membrana pueden eliminar prácticamente todas las partículas de más de 0,2 μm, incluidas giardia y cryptosporidium. 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 es utilizado por los pueblos río abajo. Son ampliamente utilizados en la industria, particularmente para la preparación de bebidas (incluida el agua embotellada). Sin embargo, ninguna filtración puede eliminar las sustancias que en realidad están 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 pueden usarse 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 columnas rellenas de zeolita o resina de intercambio de iones para reemplazar los iones no deseados. El caso más común es el ablandamiento del agua que consiste en la eliminación de los iones Ca2+ y Mg2+ 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.

Suavizado por precipitación: el agua rica en dureza (iones de calcio y magnesio) se trata con cal (óxido de calcio) y/o ceniza de sosa (carbonato de sodio) para precipitar el carbonato de calcio fuera de la solución utilizando el efecto de iones comunes.

Electrodesionización: se pasa agua 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. Se produce continuamente agua desionizada de alta pureza, 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

Bombas utilizadas para añadir cantidades requeridas de productos químicos al agua clara en una planta de purificación de agua antes de su distribución. De izquierda a derecha: hipoclorito de sodio para desinfección, ortofosfato de zinc como inhibidor de la corrosión, hidróxido de sodio para el ajuste de pH y fluoruro para la prevención de la caries dental.

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 proporcionar una dosis residual de desinfectante para matar o inactivar microorganismos potencialmente dañinos en los sistemas de almacenamiento y distribución. Los posibles patógenos incluyen virus, bacterias, incluidas Salmonella, Cólera, Campylobacter y Shigella, y protozoos, incluidos Giardia lamblia y otros criptosporidios. Después de la introducción de cualquier agente desinfectante químico, el agua generalmente se mantiene en almacenamiento temporal, a menudo llamado tanque de contacto o pozo claro, 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 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 utilizada 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 contacto con el agua. Sin embargo, el manejo del 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 gas o cloro 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 son ampliamente utilizadas, a pesar de sus respectivos inconvenientes. Una desventaja 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 se puede minimizar mediante la eliminación efectiva de la mayor cantidad posible de compuestos orgánicos del agua 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 con relativa poca frecuencia 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 manejo del gas; las acumulaciones de gas de dióxido de cloro pueden detonar espontáneamente.

Cloración

El uso de cloramina es cada vez más común como desinfectante. Aunque la cloramina no es un oxidante tan fuerte, proporciona un efecto residual 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 la 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 y proporciona un poderoso agente oxidante que es tóxico para la mayoría de los organismos que se encuentran en el agua. Es un desinfectante muy fuerte, de amplio espectro, muy utilizado en Europa y en algunos municipios de Estados Unidos y Canadá. La desinfección con ozono, u 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 la luz ultravioleta o un "resfriado" descarga eléctrica. 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 posible patógeno en la tubería de distribución.

El ozono se ha utilizado en plantas de agua potable desde 1906, cuando se construyó la primera planta de ozonización industrial en Niza, Francia. La Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. ha aceptado que el ozono es seguro; y se aplica como agente antimicrobiológico para el tratamiento, almacenamiento y procesamiento de alimentos. Sin embargo, aunque la ozonización forma menos subproductos, se ha descubierto que el ozono reacciona con los iones de bromuro en el agua para producir concentraciones del presunto cancerígeno bromato. El bromuro se puede encontrar en 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

Modelo de corte de la unidad de desinfección UV utilizado en plantas de tratamiento de agua

La luz ultravioleta (UV) es muy eficaz para inactivar los quistes en aguas de baja turbidez. La efectividad de la desinfección con luz ultravioleta disminuye a medida que aumenta la turbidez, como resultado de la absorción, la dispersión y el ensombrecimiento causado por los sólidos en suspensión. La principal desventaja del uso de la radiación UV 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 efectivo 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.

Brominación y yodización

El bromo y el yodo también se pueden usar como desinfectantes. Sin embargo, el cloro en el agua es más de 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

Los dispositivos y métodos portátiles de purificación de agua están disponibles para la desinfección y el tratamiento en emergencias o en lugares remotos. La desinfección es el objetivo principal, ya que las consideraciones estéticas como el sabor, el olor, la apariencia y la contaminación química no afectan la seguridad a corto plazo del agua potable.

Opciones de tratamiento adicionales

1. Fluidación de agua: en muchas áreas se añade fluoruro al agua con el objetivo de prevenir la caries dental. El flúor generalmente se añade después del proceso de desinfección. En los EE.UU., la fluoridación se realiza generalmente por la adición de ácido hexafluorosilico, que descompone en el agua, produciendo iones fluoruros.
2. Agua condicionada: Este es un método para reducir los efectos del agua dura. En los sistemas de agua sujeto a la calefacción las sales de dureza se pueden depositar como la descomposición de iones de bicarbonato crea iones de carbonato que precipitan fuera de la solución. El agua con altas concentraciones de sales de dureza se puede tratar con ceniza de soda (carbonato de sodio) que precipita el exceso de sales, a través del efecto deión común, produciendo carbonato de calcio de muy alta pureza. El carbonato de calcio precipitado se vende tradicionalmente a los fabricantes de pasta de dientes. Varios otros métodos de tratamiento de agua industrial y residencial se reclaman (sin aceptación científica general) para incluir el uso de campos magnéticos y/o eléctricos reduciendo los efectos del agua dura.
3. Reducción de la Plumbosolvencia: En zonas con aguas naturalmente ácidas de baja conductividad (es decir, precipitaciones superficiales en montañas altas de rocas ígneas), el agua puede ser capaz de disolver el plomo de cualquier tubería de plomo que se lleva. La adición de pequeñas cantidades de iones de fosfato y el aumento del pH ligeramente ambos ayudan a reducir enormemente la insolvencia de plombo creando sales de plomo insolubles en las superficies internas de las tuberías.
4. 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 puede ser removido por intercambio de iones, o por agua condicionada. Sin embargo, el rubor de la espalda o el lodo producido es un desperdicio radiactivo de bajo nivel.
5. Eliminación de fluidos: Aunque el fluoruro se añade al agua en muchas áreas, algunas áreas del mundo tienen niveles excesivos de fluoruro natural en el agua fuente. Los niveles excesivos pueden ser tóxicos o causar efectos cosméticos indeseables como la mancha de dientes. Métodos de reducción de los niveles de fluoruro es a través del tratamiento con alumina activado y los medios de filtro de carbón ósea.

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 (desalación de agua de mar) y la ósmosis inversa.

Térmica

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 elimina las toxinas químicas ni las impurezas. Para la salud humana, no se requiere una esterilización completa del agua, ya que los microbios resistentes al calor no afectan los intestinos. El consejo tradicional de hervir el agua durante diez minutos es principalmente para mayor seguridad, ya que los microbios comienzan a expirar a temperaturas superiores a los 60 °C (140 °F). Aunque el punto de ebullición disminuye con el aumento de la altitud, no es suficiente para afectar la desinfección. En áreas donde el agua es "dura" (es decir, que contiene una cantidad significativa de sales de calcio disueltas), la ebullición descompone los iones de bicarbonato, lo que da como resultado una precipitación parcial como carbonato de calcio. Esta es la "piel" que se acumula en los elementos del hervidor, etc., en áreas de agua dura. Con la excepción del calcio, la ebullición no elimina los solutos con un punto de ebullición más alto que el del agua y, de hecho, aumenta su concentración (debido a que parte del agua se pierde en forma de vapor). La ebullición 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 prolongado puede adquirir nuevos patógenos.

Adsorción

El carbón activado granular es una forma de carbón activado con un área superficial alta. Adsorbe muchos compuestos, incluidos muchos compuestos tóxicos. El agua que pasa por carbón activado se usa comúnmente en regiones municipales con contaminación orgánica, sabor u olor. Muchos filtros de agua domésticos y peceras utilizan filtros de carbón activado para purificar el agua. Los filtros domésticos para 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 largos, los microorganismos pueden crecer en el interior, lo que da como resultado incrustaciones y contaminación. Las nanopartículas de plata son un excelente material antibacteriano y pueden descomponer compuestos halo-orgánicos tóxicos, como pesticidas, en productos orgánicos no tóxicos. El agua filtrada debe usarse poco después de filtrada, ya que la pequeña cantidad de microbios que quedan pueden 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 puede aumentar debido al crecimiento de bacterias dentro de la unidad de filtro.

Destilación

La destilación consiste en 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 no vaporizado 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 hidrofóbico. El agua evaporada pasa desde el lado caliente a través de los poros de la membrana formando una corriente de agua pura fría en el otro lado. La diferencia de presión de vapor entre el lado frío y el caliente ayuda a empujar las moléculas de agua.

Ósmosis 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 exotérmicamente cristales de hidratos de gas. El hidrato puede separarse por centrifugación o sedimentación. El agua se puede liberar de los cristales de hidrato mediante calentamiento.

Oxidación in situ

La oxidación química in situ (ISCO) es un proceso de oxidación avanzado. Se utiliza para la remediación de suelos y/o aguas subterráneas para reducir las concentraciones de contaminantes específicos. ISCO se logra inyectando o introduciendo oxidantes en el medio contaminado (suelo o agua subterránea) para destruir los contaminantes. Se puede usar para remediar una variedad de compuestos orgánicos, incluidos algunos que son resistentes a la degradación natural.

Biorremediación

La biorremediación utiliza microorganismos para eliminar 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 altamente solubles, lo que dificulta su eliminación. Las aplicaciones de ejemplo de la cepa CKB de Dechloromonas agitata incluyen estudios de campo realizados en Maryland y el suroeste de EE. UU.

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
₂ de los átomos de hidrógeno y oxígeno del ambiente en el sitio de uso. Se informó que este último era más rápido y 10⁷ veces más potente para matar Escherichia coli que el comercial H
₂O
₂, y 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

Trucha de arco irisOncorhynchus mykiss) se utilizan a menudo en plantas de purificación de agua para detectar contaminación aguda del agua

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 el "protector" película dentro de las líneas de servicio más antiguas, lo que lleva a la filtración de plomo en los grifos residenciales. Esto puede resultar en una exposición dañina, incluidos niveles elevados de plomo en la 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 del agua desmineralizada en la salud 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 materiales de las tuberías como el plomo y el cadmio, lo que se evita con minerales disueltos como el calcio y el magnesio. El agua con bajo contenido de minerales ha sido implicada en casos específicos de envenenamiento por plomo en bebés, cuando el plomo de las tuberías se filtraba al agua a tasas especialmente altas. Las recomendaciones para el magnesio se han puesto en un mínimo de 10 mg/L con un valor 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 (añadiendo 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, renales, urinarios, artrosis y artropatías. Además, los procesos de desalinización pueden aumentar el riesgo de contaminación bacteriana.

Los fabricantes de destiladores domésticos de agua afirman lo contrario: que los minerales del agua son la causa de muchas enfermedades y que la mayoría de los minerales beneficiosos provienen de los alimentos, no del agua.

Historia

Dibujo de un aparato para estudiar el análisis químico de las aguas minerales en un libro de 1799.

Los primeros experimentos de 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 recientemente 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

Mapa original de John Snow mostrando los racimos de casos de cólera en la epidemia de Londres de 1854.

El primer uso documentado de filtros de arena para purificar el suministro de agua data de 1804, cuando el propietario de una blanqueadora en Paisley, Escocia, John Gibb, instaló un filtro experimental y vendió su excedente no deseado al público. Este método fue perfeccionado en las dos décadas siguientes por ingenieros que trabajaban para compañías de agua privadas, 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 agua filtrada agua para cada residente del área, y el diseño de la red fue ampliamente copiado en todo el Reino Unido en las décadas siguientes.

La práctica del tratamiento del agua pronto se generalizó y se generalizó, y las virtudes del sistema se hicieron claramente evidentes después de las investigaciones del médico John Snow durante el brote de cólera de 1854 en Broad Street. Snow se mostró escéptico sobre 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 prevaleciente. 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 Soho, con el uso de un mapa de distribución de puntos y prueba estadística para ilustrar la conexión entre el calidad de la fuente de agua y casos de cólera. Sus datos convencieron al consejo local de desactivar la bomba de agua, lo que puso fin rápidamente al brote.

La Ley del Agua de Metropolis introdujo la regulación de las empresas de abastecimiento de agua en Londres, incluidas las normas mínimas de calidad del agua por primera vez. La Ley "dispuso para asegurar el suministro a la Metrópolis de agua pura y salubre", y exigió que toda el agua sea "eficazmente filtrada" a partir del 31 de diciembre de 1855. A esto le siguió la legislación para la inspección obligatoria de la calidad del agua, incluidos análisis químicos completos, en 1858. Esta legislación sentó un precedente mundial para intervenciones similares de salud pública estatal en toda Europa. Al mismo tiempo, se formó la Comisión Metropolitana de Alcantarillados, se adoptó la filtración de agua en todo el país y se establecieron nuevas tomas de agua en el Támesis sobre Teddington Lock. Los filtros de presión automáticos, en los que el agua se fuerza 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 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 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 dejarla "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. Alexander Cruickshank Houston usó la cloración del agua para detener la epidemia. Su instalación alimentaba el agua a tratar con una solución concentrada de cloruro de cal. La cloración del suministro de agua ayudó a detener la epidemia y, como medida de precaución, la cloración continuó hasta 1911 cuando se instituyó un nuevo suministro de agua.

Clonador de control manual para la licuación del cloro para la purificación del agua, principios del siglo XX. Desde Clorination of Water por Joseph Race, 1918.

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 sirvió como suministro para la ciudad de Jersey, Nueva Jersey. La cloración se logró mediante adiciones controladas de soluciones diluidas de cloruro de cal (hipoclorito de calcio) a dosis de 0,2 a 0,35 ppm. El proceso de tratamiento fue concebido por John L. Leal y la planta de cloración fue diseñada por George Warren Fuller. En 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 de agua potable mediante el uso de cloro gaseoso licuado comprimido fue desarrollada por un oficial británico en el Servicio Médico Indio, Vincent B. Nesfield, en 1903. Según su propio relato:

Se me ocurrió que el gas cloro podría ser encontrado satisfactorio... si se pudieran encontrar medios adecuados para usarlo... La siguiente pregunta importante era cómo hacer el gas portátil. Esto podría lograrse de dos maneras: Al licuarlo, y almacenarlo en vasos de hierro forrados por plomo, teniendo un jet con un canal muy fino capilar, y equipado con un grifo o una gorra de tornillo. El grifo está encendido, y el cilindro colocado en la cantidad de agua necesaria. El cloro brota, y en diez o quince minutos el agua es absolutamente segura. Este método sería de uso a gran escala, en cuanto a los carritos de agua de servicio.

Estados Unidos El Mayor del Ejército Carl Rogers Darnall, Profesor de Química en la Escuela de Medicina del Ejército, hizo la primera demostración práctica de esto en 1910. Poco después, el Mayor William J. L. Lyster del Departamento Médico del Ejército usó una solución de hipoclorito de calcio en una bolsa de lino para tratar el agua.. Durante muchas décadas, el método de Lyster siguió siendo el estándar para las fuerzas terrestres de los EE. UU. en el campo y en los campamentos, implementado en la forma del familiar Lyster Bag (también deletreado Lister Bag). La bolsa estaba hecha de lona y podía contener 36 galones de agua. Era poroso y sostenido por cuerdas, purificando el agua con la ayuda de una solución de hipoclorito de calcio. Cada bolsa tenía un grifo adjunto, que se usaba para enjuagar el agua para la prueba, así como también para dispensar para su uso. Esto se convirtió en la base de los sistemas actuales de purificación de agua municipal.

Global

Según un informe de la Organización Mundial de la Salud (OMS) de 2007, 1100 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 insalubre y a un saneamiento e higiene inadecuados, mientras que 1,8 millones de personas mueren cada año a causa de enfermedades diarreicas. La OMS estima que el 94% de estos casos de enfermedades diarreicas se pueden prevenir modificando el medio ambiente, incluido el acceso a agua potable. Técnicas sencillas para tratar el agua en el hogar, como la cloración, los filtros y la desinfección solar, y para almacenarla en recipientes 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.

El mercado global de purificación de agua tiene un valor de 22 mil millones de dólares. Los filtros y purificadores de agua domésticos en la India son comunes.