Dra. Mayra Bataller Venta Aspectos generales Estado de la temática Experiencia en Cuba Aspectos generales ♦ Concepto ♦ Salto tecnológico de la aplicación del ozono en tratamiento de agua ♦ Propiedades del ozono que condicionan la aplicación del ozono en el tratamiento de agua: Poder oxidante y poder germicida ♦ Aplicaciones del ozono en potabilización de agua ♦ Aspectos sobre la desinfección ♦ Esquema general de potabilización de agua con el empleo del ozono Pre-ozonización Inter-ozonización Post-ozonización
Estado de la temática ♦ Aplicación del ozono en países desarrollados (artículos) ♦ Esquemas de potabilización de agua ♦ Control de bromato en aguas tratadas con ozono Experiencia en Cuba ♦ Estudio comparativo de la preozonización y precloración en la potabilización de aguas superficiales. Escala de planta piloto. ♦ Experiencia en el Acueducto del CNIC ♦ Aplicación en las embotelladoras de agua ♦ Aplicación para el agua de consumo de animales de laboratorio (SPF)
Aspectos generales ♦ Concepto de Potabilización de agua:
Agua que por cumplir con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos, puede ser utilizada para agua de bebida y elaboración de alimentos.
Norma internacional que establece la OMS Norma de cada país Norma cubana NC 93-02/1985 para Agua Potable. Requisitos sanitarios y muestro
♦ Salto tecnológico: Factores que han permitido: El desarrollo de la tecnología de tratamiento de agua con ozono Su amplia aplicación Que se haya convertido en una tecnología de punta
Factor Económico:
Desarrollo de la química de los polímeros y tecnología de materiales muy resistentes al ozono Disminución del costo de los ozonizadores debido al incremento de la eficiencia, así como la simplificación de su producción. Aplicación del ozono no sólo como desinfectante, sino como oxidante de materia orgánica e inorgánica, lo que implica mejoras y economía del proceso de potabilización
Factor Científico-Social:
Determinación a mediados de los años 70 de que el cloroformo y otros trihalometanos (THM) son tóxicos y dañinos para la salud humana, (Lawrence 1977) Comprobación de que la adición de cloro provoca la formación de estos compuestos en aguas presentan determinada carga de compuestos orgánicos Imprimen al agua un olor y sabor desagradables y un color amarillento. En la década del 80 investigaciones dirigidas a buscar alternativas para disminuir la concentración de los THM presentes en aguas para consumo. Duane (1987) reportó un estudio realizado sobre el efecto de la preozonización en los THM, desarrollado en la planta potabilizadora de Los Angeles. Roustan (1991) destaca la capacidad del ozono para inactivar quistes de Giardia sin generar compuestos halogenados.
Verificación del riesgo de desinfectantes para la salud humana:
Evaluación del ozono y otros desinfectantes realizada por Huck (1987) pruebas de mutagenicidad para la evaluación de agua potable. Estudios de mutagenicidad realizados por De Marini (1995) en agua potable, tanto ozonizada como clorada. El ozono no presenta ninguno de esos inconvenientes, obteniéndose un agua completamente inocua y de gran calidad organoléptica (De Marini, 1995). Recientemente se reportó el efecto de la cloración en la incidencia de cáncer (Morris, 1992; Koivusalo, 1994)
♦ Propiedades que condicionan la aplicación el ozono en el tratamiento de agua: Poder oxidante Poder germicida
Poder oxidante
Tabla comparativa con algunos compuestos y especies muy inestables
Agente Oxidante
Potencial de oxidación (volt)
Flúor Radical OH. Oxígeno atómico
3.06 2.80 2.42
Ozono
2.07
Peróxido de hidrógeno Permanganato Cloro
1.77 1.55 1.36
Poder germicida
Desinfección de agua con ozono es la aplicación más antigua del ozono: 1. 2. 3. 4. 5.
Estudios de desinfección de agua con ozono datan desde 1986 En 1906 en la planta de tratamiento de agua "Bon Voyage" en Nice, Francia. En 1900-1905 varias plantas para la desinfección de agua potable en Filadelfia, EU. Desinfectante excepcional de amplio espectro. Cinética de desinfección (o inactivación) los criterios de: • valor de la dosis de ozono aplicada • el consumo de ozono • concentración de ozono disuelto • tiempo de inactivación Varían en la literatura, existiendo marcadas discrepancias por el procedimiento empleado en la determinación.
Regulación de la EPA: Mantener una concentración residual de ozono disuelto de 0,4 mg/L durante 4 minutos (origen) El ozono como un agente oxidante más potente que el cloro permite que:
Gérmenes muy resistentes a este último (como los virus y bacteria esporuladas) sean inactivados con relativa facilidad Lo mismo ocurre con la inactivación de quistes de parásitos como Giardia lambia y diferentes especies de amebas (Wickramanayake, 1988, Roustan, 1991). Muy eficaz frente a Pseudomonas aeruginosa (Novoa, 1989; Lezcano, 1999) que son microorganismos de gran resistencia al cloro y a otros agentes desinfectantes. Como dato a destacar se constata que trabajos realizados por Roustan (1991), Finch (1994) y Overbeck (1999) indican claramente que el ozono es el desinfectante más efectivo respecto a otras alternativas, teniendo en cuenta el CT correspondiente. Para quistes de Giardia (microorganismos muy resistentes) a temperatura de 298 K (25 oC), el ozono tiene un valor CT de 0,48 mg.min /L, mientras otros desinfectantes como el cloro, el dióxido de cloro y las cloraminas arrojan valores de 61, 11 y 750 mg.min /L respectivamente, para un mismo porciento de inactivación.
Concepto CT USEPA-1989 Tabla. CT (mg/Lmin) para un 99.9% de inactivación de quistes de Giardia Desinfectante 15 oC 20 oC 25 oC Cloro 122 91 61 Dióxido de cloro 19 15 11 Cloraminas 1 500 1 100 1 000 Ozono 0.95 0.72 0.48
Tabla . Valores de CT (mg/Lmin) para la inactivación de quistes de Giardia con ozono Inactivación 0.5 log 1 log 2 log 3 log •
25 o C 0.08 0.16 0.32 0.48
Recientemente, Liyanage (1997) en un estudio sobre inactivación de Giardia y Crystosporidium, resalta la aplicación del ozono como la alternativa más eficiente respecto a otros desinfectantes, lo que es de gran importancia, dados los intensos brotes que han ocurrido en los últimos años en Estados Unidos y Canadá (Larocque, 1999; Rice, 1999)
♦ Aplicaciones del ozono en potabilización de agua ♦ Reducción de la formación de THM (tendencia mundial) ♦ Incremento de la biodegradibilidad de la materia orgánica Garantiza una mayor eficiencia de remoción: Materia orgánica Precursores de los THM Compuestos de alto peso molecular los lleva a menor peso molecular Compuestos pasan a ser más polares y oxigenados Estos compuestos son más inocuos más fácilmente biodegradables ♦ Reducción o eliminación del color, olor y mejoramiento del sabor ♦ Remoción de hierro y manganeso ♦ Desacomplejamiento del hierro y el manganeso(complejos solubles) ♦ Oxidación de iones metálicos disueltos, hierro y manganeso (compuestos insolubles) Fe 2+ + O 3 Fe(OH)3 Mn 2++ O 3 MnO2 MnO 4♦ Oxidación de microcontaminantes orgánicos (fenoles, detergentes, pesticidas) ♦ Oxidación de cianuros, sulfuros y nitritos H2S + O 3 SO 4 22NO + O 3 NO 3CN CNO N 2 + CO 2 + H 2 O ♦ Efecto del ozono en la coagulación / floculación (diferentes mecanismos, Review) Fenómeno de Microfloculación: El ozono actúa sobre la superficie de los coloides en suspención (que están estabilizados) cambiando la carga de la superficie por lo tanto favorece la atracción entre los coloides y se incrementa el volumen de los flóculos lo que permite que sean separados por filtración ♦ Remoción de turbidez y sólidos en suspención ♦ Remoción de carbono orgánico disuelto ♦
Mejora de la eficiencia de otras etapas del tratamiento de potabilización
Mejora la coagulación-floculación y permite un ahorro 25 % de coagulante Reduce el tamaño de los floculadores 2. Mejora la etapa de filtración Reduce el tamaño de los filtros y aumenta la velocidad de filtración Por lo que disminuye el costo de construcción civil y el consumo de reactivos 3. Mejora en la etapa de filtración biológica ♦ Eliminación de microorganismos muy resistentes al cloro y a otros. ♦ Mecanismo de acción más rápido que el cloro y otros ♦ El ozono se produce en in situ. ♦ Disminuye la postcloración, se reduce en un 25 % 1.
Compite con el cloro en todos los aspectos mientras más deteriorada esté el agua a tratar El tratamiento con ozono de aguas para el consumo se ha convertido en una vía muy aconsejable: Por la calidad del agua que se obtiene Por su efecto económico
¾ Otros aspectos sobre la desinfección de agua con ozono Existe una relación entre las características morfológicas de los microorganismos y la resistencia al ozono
Virus > Bacterias no esporulada > Bacterias esporuladas y Hongos ¾ Ventajas del ozono respecto al cloro como desinfectante Rapidez de su tratamiento dado su mecanismo de acción sobre los microorganismos: •
En el caso de las bacterias, produce la lisis de la membrana celular y por lo tanto su muerte inmediata, mientras que el cloro y otros desinfectantes necesitan difundirse a través de la misma.
•
Chevier (1992) indican que con el tiempo de exposición al ozono aparece el desbalance energético del microorganismo, acelerando su muerte.
¾ Esquema de potabilización de agua con el empleo del ozono ETAPAS:
PRE-OZONIZACIÓN INTER-OZONIZACIÓN POST-OZONIZACIÓN
Pre -ozonización Agua cruda Floculación
Sedimentación
Inter-ozonización Filtración
Post-ozonización Desinfección
Post-cloración
Ubicación de las etapas de ozonización y beneficios ♦ Preozonización: Inicio del tratamiento, generalmente antes de la coagulación
Oxidación de sustancias presentes en el agua Control de los THM Favorece la coagulación/floculación Favorece la filtración
♦ Inter ozonización: Entre la decantación y filtración o dos etapas de filtración Mejorar la etapa filtración (filtración biológica) ♦ Postozonización: Al final del tratamiento, generalmente después del filtro
Desinfección Eliminación de olor, sabor y color Mejorar la calidad organoléptica del agua.
Estado de la temática ♦ Aplicación del ozono en países desarrollados (articulos)
250 200 150 100
2000
1998
1996
1994
1988
1986
1980
0
1992
50
1990
N ú m e r o s d e p la n ta s
300
Figura. Incremento de las plantas potabilizadoras con ozono en EU
♦ Esquemas de potabilización de agua ESQUEMAS DE PLANTAS DE POTABILIZACION Planta I (río- F) Coagulación - Decantación – Filtración por arena – Ozonización - Desinfección (NaOCl-+Cl2 ) Planta II (reservorio F) Preozonización – Coagulación – Decantación – Filtración por Arena – Desinfección (NaOCl-+Cl2 )
Ozonización
- Filtración
por GAC –
Planta III (río- F) Preozonizacón – Coagulación – Decantación – Filtración por arena – Ozonización - Desinfección (Cl2 ) Planta IV (río Uk ) Preozonización – Coagulación –Decantación – Filtración por arena – Ozonización
- Desinfección (Cl2 )
Planta V (río Uk ) Preoxidación (Cl2) – Coagulación – Decantación – Filtración por GAC - Ozonización - Desinfección (Cl2 ) Plantas VI (aguas subterráneas F) Nitrificación - Filtración por arena - Ozonización – Desinfección (Cl2 ) Plantas VII (aguas subterráneas F) Nitrificación -Ozonización +
H202 - Filtración por GCA - Desinfección
(Cl2 )
Planta VIII ( Aguas subterráneas F) Nitrificación - Ozonización
+ H202 -Filtración por GAC -Desinfección (Cl2 )
Planta IX (Aguas subterráneas F) Ozonización + (H202) Planta X (río F ) Preoxidación ( Cl2 ) – Coagulación - Decantación –Filtración por arena -Filtración arena Desinfección ( Cl2 )
Ozonización
Planta XI (río F) Preoxidación (Cl2 ) - Coagulación - Decantación – Filtración por arena - Filtración por arena Desinfección (Cl2 )
Ozonización -
Planta XII (río F) Preoxidación (Cl2) – Coagulación – Decantación – Filtración por arena – Desinfección (Cl2 )
Ozonización -
Filtración GAC-
Planta XIII (aguas subterráneas) Coagulación – Decantación – Ozonización - Filtración por arena - Desinfección ( Cl2 ) Planta XIV (reservorio F) Preoxidación con Cl02 - Coagulación – Decantación – Desinfección (Cl02 Planta XV ( reservorio F)
Ozonización -
Filtración por arena/antracita -
Coagulación Decantación –filtración por arena (Na0Cl+Cl2)
Ozonización
oxidación (Na0Cl+Cl2 ) desinfeción
Planta XVI (reservorio F) Preoxidatóncon Cl02 coagulación decantación Ozonización filtración desinfeccion Cl02 Planta XVII (río F) Coagulación Decantación Ozonización
(+H202)
(filtración por arena desinfección ( Cl02 )
Planta XVIII (río F) preozonización, Coagulación, Decantación Ozonización
(+H202)
(filtración por arena desinfección ( Cl2 )
Planta XIX (río F) preozonización , Coagulación Decantación Cl02 )
Ozonización (+H202)
Planta XX (río F) preozonización, Coagulación Decantación Ozonización (+H202) desinfección ( Na0Cl )
(filtración por arena desinfección (
(filtración
por
carbon activado
Planta XXI ( río F) almacenamiento(2 días) preozonización coagulación–decantación filtración por arena filtración por carbón activado (2da serie solamente) desinfección (NaOCl)
Ozonización
Planta XXII (río SP) Preoxidación con Cl02 coagulación decantación filtración por arena activado granular desinfección Cl2
Ozonización
filtración por carbón
Planta XXIII (río F) Coagulación Decantación ozonización (filtración por arena desinfección ( Na0Cl ) Planta XXIV (granwater –UK) preoxidación (Cl2 ) filtración por arena desinfección (Cl2 ) Planta XXV (rio F) preoxidación, Coagulación Decantación ozonización (filtración por carbon activado desinfección (ClO 2) Planta XXVI (rio F) preozonización Coagulación Decantación (filtración por arena desinfección ( Cl2 )
ozonización filtración por carbón
planta XXVII (rio F) Preoxidación con Cl02 coagulación decantación filtración por arena filtración por carbón
activado
activado
Ozonizacíón granular desinfeccion Cl2 planta XXVIII (rio F) preozonización coagulación decantación filtración por arena ozonización desinfección (Cl02) Planta XXIX ( reservorio F) coagulación Ozoflotación–Coagulación decantación Filtración por arena Ozonización desinfeccción (Cl02) Planta XXX (reservorio F) Coagulación Decantación Ozoflotación (filtración por arena
Ozonización desinfección (Na0Cl + Cl02)
Planta XXXI (rio F) preozonización ,Coagulación Decantación (Filtración por arena activado desinfección ( Cl2 )
Ozonización (H202) filtración por carbón
Planta XXXII (aguas subterráneas –F) Nitrificación Ozonización
(H202) - filtración por carbón desinfección con ( Cl2 )
Planta XXXIII (aguas subterráneas ) Nitrificación filtración por arena Chemical softening Ozonización Desinfección ( Cl2 )
(H202) + Filtración por carbón
activado
Planta XXXIV (rio F)
Preozonización – Coagulación - Decantación (Filtración por arena Filtración GCA - Desinfección (Cl02)
Ozonización +(H202)
-
Planta XXXV (rio F) Preoxidación con Cl2 Coagulación decantación filtración por arena Ozonización desinfección con Cl2 Planta XXXVI (rio-F)
Preozonización - Coagulación Decantación (filtración por arena Ozonización (H202) desinfección ( Cl02 ) Planta XXXVII (reservorio F) Preozonización - Coagulación Decantación (filtración por arena desinfección ( Cl2 )
Ozonización filtración por carbón
activado
Planta XXXVIII (rio F) Preozonización - Coagulación Decantación (filtración por arena desinfección ( Cl02 )
Ozonización
filtración por carbón activado
♦ Control de bromato en aguas tratadas con ozono • • • • •
Ion bromato BrO3 no está presente en agua crudas Cuando el ion bromuro está presente en aguas naturales (entre altas 100 y 200 μg/L), al recibir tratamiento con ozono el ion bromato BrO3 puede ser formado Representa un riesgo de cáncer y efectos mutagénicos en niveles superiores a 10 μg/L Nivel máximo de 10 μg/L aprobado por la USEPA (1994), Nr. 28 S. 6331 La formación de ion bromato por mecanismo molecular o radicálico. Hoigné (1994, 1996)
El mecanismo con el ozono molecular: Reacciona con el bromuro y forma ácido hipobromoso (HOBr) y el ión hipobromito (BrO-). En el intervalo de pH de 6-8 del agua potable, el HOBr está presente en su forma protonada que no es oxidada por el ozono El BrO- puede reaccionar con el ozono y dar ion bromato, el BrO- aparece en concentraciones muy bajas y no contribuye significativamente a la formación de bromato.
Mecanismo con radicales OH. • •
•
La velocidad de oxidación del HOBr y del BrO- son similares y forman el radical BrO. El radical BrO. conduce al BrO2- que rápidamente es oxidado por el ozono a bromato * Las reacciones del ozono con el bromuro y el ion hipobromito son relativamente lentas, respecto a otras que se desarrollan durante el tratamiento, por ejemplo con la materia orgánica (k = 10 3 M-1s-1) y el bromuro con el amonio (k= 10 7 M-1s-1) La reacción del HOBr con la materia orgánica conduce a la formación de compuestos organobromados, aunque esta reacción no compite cinéticamente con la del ozono y las concentraciones de HOBr son bajas
Factores que controlan la formación de bromato (Hoigné,1992):
Control del pH: Se recomienda disminuir el pH (Figura) Debe ser menor de 8 / el ion hipobromito (BrO-) es precursor del bromato y esta especie predomina por encima de este pH El efecto del pH se incrementa a mayores tiempos de reacción (Figura) Relación OH./ozono (Decrece al disminuir el pH) (Figura) Contenido de materia orgánica Contenido de amonio/ HOBr forma bromoaminas (Figura) Reduce en 50 % Tiempo de contacto *(menor tiempo/disminuye la formación de bromato) Control de la dosis de ozono aplicada Configuración y la hidrodinámica del reactor La adición de peróxido de hidrógeno hay contradicciones, puede reducir el HOBr pero también incrementar la formación de radicales OH, que incrementan el bromato
