Desinfección de Aguas Residuales

La desinfección es la eliminación o reducción de microorganismos dañinos para prevenir la propagación de enfermedades transmitidas por el agua residual. Es el último paso del tratamiento de aguas residuales (AR) antes de ser liberada al medio ambiente. La desinfección juega un papel muy importante en la protección de la salud pública, reduciendo el riesgo de las enfermedades transmitidas por el AR, además de que ayuda a la protección del medio ambiente, reduciendo la concentración de microorganismos en el AR que pueden ser dañinos para la vida acuática y la calidad del agua.

La efectividad del proceso depende de la concentración de microorganismos, el tipo de desinfectante y las condiciones bajo las que se realice el proceso.

Tipos de Desinfectantes

Desinfectantes Químicos

• Cloro: Es el más usado en el tratamiento de aguas residuales.
• Ozono: Efectivo contra distintos tipos de microorganismos, incluidos virus y protozoos.
• Otros químicos: Dióxido de cloro, hipoclorito de sodio y peróxido de hidrógeno.

Desinfectantes Físicos

• Radiación Ultravioleta (UV): Radiación no ionizante que daña el material genético de los microorganismos para que no se reproduzcan.
• Otras formas de radiación: Radiación gamma y haz de electrones.

Subproductos de la Desinfección (DBPs)

Los DBPs son compuestos químicos que se forman cuando desinfectantes, como el cloro o el ozono, reaccionan con la materia orgánica presente en las aguas residuales (AR).

Formación de DBPs

Los DBPs pueden formarse durante la desinfección, el almacenamiento y la distribución del agua tratada. Existen varios tipos de subproductos de desinfección:

• Ácidos haloacéticos (AAs)
• Clorito
• Bromato

Y otros compuestos que pueden ser dañinos para la salud humana y el medio ambiente, y que están regulados por las autoridades gubernamentales. El cloro es conocido por generar varios tipos de DBPs, incluidos los trihalometanos (THMs) y AAs. El ozono y otros desinfectantes también pueden producir DBPs, aunque en concentraciones menores y con tipos diferentes a los del cloro.

Efectos en la Salud de los DBPs

Los efectos pueden variar según el tipo y la concentración del subproducto, la susceptibilidad individual y el nivel de exposición. Los principales efectos incluyen:

• Cáncer
• Problemas reproductivos
• Retrasos en el desarrollo

Las plantas de tratamiento de aguas residuales deben monitorear y reportar los niveles de DBPs en su efluente final.

Estrategias para Minimizar la Formación de DBPs

• Cambiar el tipo o la concentración del desinfectante.
• Ajustar el pH y la temperatura.
• Optimizar la dosis de desinfectante y el tiempo de contacto puede reducir la formación de DBPs sin comprometer la desinfección.
• Algunas plantas optan por técnicas alternativas de desinfección, como:
  • Radiación UV
  • El Ozono
• Estas tecnologías ayudan a reducir la formación de subproductos dañinos.
• Añadir agentes reductores o coagulantes.
• Utilizar tecnologías avanzadas de tratamiento, como la filtración por membranas o el uso de carbón activado granular, permite remover la materia orgánica natural antes de la desinfección.

Filtración por Membranas

La filtración por membranas es un proceso de separación física que utiliza membranas con poros diminutos para eliminar partículas, microorganismos y otros contaminantes del agua. En el tratamiento de aguas residuales, la filtración por membranas puede utilizarse como:

• Una etapa de pretratamiento antes del tratamiento biológico para eliminar sólidos en suspensión y patógenos.
• Como una etapa de pulido para tratamientos avanzados, como la eliminación de contaminantes orgánicos en trazas o nutrientes.
• O como un proceso de tratamiento independiente.

Tipos de Filtración por Membranas

• Microfiltración: Prefiltración, eliminación de partículas en suspensión (ejemplo: de aguas residuales textiles).
• Ultrafiltración: Prefiltración, eliminación de la turbidez.
• Nanofiltración: Desulfuración, retención de metales pesados. Eliminación de color, materia orgánica natural, nitratos, pesticidas.
• Ósmosis Inversa: Desalinización, eliminación de fosfatos, eliminación de metales pesados.

La elección del tipo de membrana depende de la aplicación: el tamaño y tipo de contaminantes que se desea eliminar, así como la calidad del agua requerida.

Ensuciamiento de las Membranas

El ensuciamiento de las membranas provoca:

• Disminución del flujo de permeado.
• Limpieza de membranas más frecuente.
• Aumento de los costos operativos.

Tipos de Ensuciamiento

• Ensuciamiento superficial (a nivel macroscópico): El material ensuciante se deposita en la superficie de la membrana debido a un flujo de sólidos demasiado alto hacia la superficie. El flujo disminuye como resultado del aumento en la resistencia. Es posible la regeneración (por ejemplo, mediante contralavado con disolvente).
• Ensuciamiento en poros (a nivel microscópico): El ensuciante difunde dentro de la membrana. Reducción irreversible del tamaño de poro y disminución del flujo. No es posible la regeneración. Determina la vida útil de la membrana.

Ensuciamiento Reversible vs. Irreversible

• Reversible: Acumulación de capa de torta (cake layer) ⇒ Contralavado.
• Irreversible: Adsorción y obstrucción de poros ⇒ Limpieza química.

Ventajas de la Filtración por Membranas

• Alta eficiencia en la eliminación de sólidos en suspensión y patógenos.
• Calidad constante del agua tratada.
• Huella reducida comparada con tratamientos convencionales.
• Flexibilidad en la operación y el diseño.
• Resiliencia frente a variaciones en la calidad y cantidad del afluente.
• Alto potencial para reutilización del agua y recuperación de recursos.

Desventajas de la Filtración por Membranas

• Ensuciamiento de membranas y necesidad de limpieza.
• Altos costos de inversión y operación.
• Limitado a tratamientos a pequeña escala debido a los altos costos.
• Proceso intensivo en consumo energético.
• Dependencia del pretratamiento para un funcionamiento eficaz.
• Eliminación limitada de contaminantes y contaminantes disueltos.

Técnicas Alternativas de Desinfección

Radiación Ultravioleta (UV)

Implica exponer las aguas residuales a luz ultravioleta. La luz UV interfiere con el ADN de los microorganismos, impidiéndoles reproducirse. La radiación UV es eficaz contra una amplia gama de microorganismos, incluidos bacterias, virus y protozoos.

Tipos de Contacto

• Contacto: Sumergido en todo momento en las aguas residuales.
  • Tipo de flujo: presión o canal abierto.
  • Dirección del flujo: paralela o perpendicular a las lámparas.
• Sin contacto: Suspendido por encima o rodeando los conductos transparentes que transportan el líquido.
  • Tipo de flujo: presión o gravedad.
  • Dirección del flujo: paralela o perpendicular a las lámparas.

Consideraciones de Seguridad y Operación

La radiación UV es peligrosa para los humanos:

• Quemaduras
• Cáncer
• Deterioro de la visión

Otros aspectos a considerar:

• Producción de ozono: muy tóxico, efecto invernadero.
• Sistema de aire forzado.
• Envejecimiento del plástico (u otros compuestos).
• Filtración GAC (Carbón Activado Granular).

Ventajas de la Radiación UV

• Eficaz directamente contra el ADN de muchos microorganismos.
• Puede inactivar más microorganismos que la cloración.
• No se puede generar resistencia a la luz UV.
• Sin productos químicos.
• Sin residuos ni subproductos tóxicos.
• Bajo mantenimiento y costos operativos.
• Ocupación reducida del terreno.

Ácido Peracético

El ácido peracético es un agente oxidante fuerte que puede usarse para desinfectar aguas residuales. Este reacciona con los microorganismos y compuestos orgánicos para descomponer sus paredes celulares y alterar sus funciones celulares. Es eficaz contra una amplia gama de microorganismos y tiene un bajo potencial de formación de subproductos de desinfección dañinos.

Métodos de Tratamiento Posterior a la Desinfección

Estos métodos buscan eliminar cualquier subproducto de la desinfección, patógeno o materia orgánica que pueda seguir presente en las aguas residuales.

Adsorción de Carbón Activado

Proceso que consiste en hacer pasar las aguas residuales por un lecho de carbón activado. El carbón activado adsorbe la materia orgánica, los subproductos de la desinfección y otros contaminantes de las aguas residuales, dando como resultado un efluente más limpio. La adsorción de carbón activado es una técnica eficaz de tratamiento posterior a la desinfección para eliminar subproductos de la desinfección, como los trihalometanos y los ácidos haloacéticos.

Ósmosis Inversa

Es un proceso que consiste en hacer pasar las aguas residuales a través de una membrana semipermeable a alta presión. La membrana bloquea el paso de contaminantes, como microorganismos, subproductos de la desinfección y materia orgánica, lo que da como resultado un efluente más limpio. La ósmosis inversa es una técnica de tratamiento posdesinfección eficaz para eliminar una amplia gama de contaminantes de las aguas residuales.

Filtración por Membrana

Puede ser una técnica eficaz de tratamiento posterior a la desinfección para eliminar microorganismos, algunos subproductos de la desinfección y otros contaminantes de las aguas residuales. El dióxido de cloro se utiliza a menudo en combinación con otras técnicas de tratamiento posterior a la desinfección, como la adsorción por carbón activado o la filtración por membrana.

Ozonización

El ozono es un oxidante poderoso que puede utilizarse para la desinfección y la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua. En el tratamiento de aguas residuales, la ozonización puede utilizarse como una etapa de pretratamiento antes del tratamiento biológico o como una etapa final para la desinfección y eliminación de contaminantes orgánicos en trazas.

Pasos del Proceso de Ozonización

• Generación de ozono
• Transferencia a la solución
• Tiempo de contacto en la solución
• Filtración / destrucción del ozono

Mecanismos de Ozonización

El ozono reacciona con compuestos orgánicos e inorgánicos en el agua a través de la:

• Oxidación directa e indirecta
• Las reacciones radicalarias que pueden conducir a la degradación y eliminación de una amplia gama de contaminantes:
  • Fármacos
  • Productos de cuidado personal
  • Otros compuestos orgánicos en trazas

Dependiente principalmente de la vía de reacciones directas del ozono:

• Destrucción directa de la pared celular (lisis celular) → fuga de componentes celulares.
• Reacciones con radicales producto de la descomposición del ozono.
• Daño a los componentes de los ácidos nucleicos.

Ventajas de la Ozonización

• Eficaz en la eliminación de una amplia gama de contaminantes, incluidos micropoluentes y microorganismos.
• Produce menos subproductos de desinfección (DBPs) en comparación con la cloración.
• Puede mejorar la biodegradabilidad del agua residual al descomponer compuestos orgánicos complejos.
• Puede eliminar color, olor y sabor del agua residual.
• Puede reducir la necesidad de otros procesos, como la adsorción con carbón activado.
• No añade productos químicos al agua, reduciendo el daño ambiental.

Desventajas de la Ozonización

• Costos elevados de inversión y operación.
• Puede producir subproductos dañinos como bromato y aldehídos.
• Menor estabilidad que otros desinfectantes; se degrada si no se usa rápidamente.
• Requiere equipos y conocimientos especializados.
• Puede ser corrosivo para materiales como caucho y plástico.
• Difícil de controlar, requiere monitoreo constante para asegurar el rendimiento.

Cloración

La cloración es un método de desinfección que implica añadir gas cloro o cloro líquido al agua residual. El cloro reacciona con los microorganismos para interrumpir sus funciones celulares y matarlos. Y con compuestos orgánicos en las aguas residuales para formar subproductos de desinfección, algunos de los cuales pueden ser perjudiciales para la salud humana. Requiere un manejo cuidadoso debido a su toxicidad. El hipoclorito de sodio, o lejía, es otra fuente común de cloro que es más segura de manipular.

Varios factores pueden afectar la efectividad del cloro en el tratamiento de aguas residuales, incluyendo:

• pH
• Temperatura
• Tiempo de contacto
• Presencia y concentración de materia orgánica
• Tipo y concentración de microorganismos

Dosificación y Control del Cloro

La dosificación y el control del cloro son críticos para asegurar que se logre el nivel deseado de desinfección sin exceder los límites regulatorios. La dosis se mide en términos de demanda de cloro, o la cantidad de cloro requerida para alcanzar un cierto nivel de desinfección. Las estrategias de control pueden incluir el ajuste de la dosis de cloro, el tiempo de contacto y el pH del agua residual.

Punto de Ruptura del Cloro

• Cloro destruido por agentes reductores.
• Formación de monocloramina y organocloramina.
• La monocloramina se destruye formando dicloramina.
• Cloro residual libre disponible.
• Punto de ruptura: todo el amoníaco se oxida a gas nitrógeno, nitrato o tricloruro de nitrógeno (tricloramina).

Ventajas de la Cloración

• Desinfecta eficazmente y elimina organismos patógenos.
• Puede proporcionar protección desinfectante residual en los sistemas de distribución.
• Puede oxidar y eliminar algunos compuestos orgánicos.
• El cloro está fácilmente disponible y es rentable.
• Puede aplicarse en varias etapas del proceso de tratamiento.

Desventajas de la Cloración

• Puede producir subproductos de desinfección (DBPs) dañinos como trihalometanos (THMs) y ácidos haloacéticos (AAs).
• Puede causar problemas de sabor y olor en el agua tratada.
• El gas cloro es tóxico y puede presentar riesgos de seguridad si no se maneja adecuadamente.
• Puede reaccionar con compuestos de amoníaco y nitrógeno en el agua para formar cloraminas, que son desinfectantes menos efectivos que el cloro libre.
• El cloro puede corroer equipos y tuberías si no se controla adecuadamente.