Tema 7 Procesos de Desinfección (GIQUI) PDF

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Tratamiento de Aguas 4º Curso Grado en Ingeniería Química Industrial Mención en Ingeniería Ambiental y Sostenibilidad Tema 7 PROCESOS DE DESINFECCIÓN Profesora: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA CONTENIDO 1. Aspectos generales de la desinfección Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN 1.1. Desinfección y esterilización 1.2. Métodos de desinfección 1.3. Mecanismo de acción de los desinfectantes 2. Factores que influyen en la desinfección 3 Cloración 3.1. Acción del cloro 3.2. Compuestos de cloro más utilizados 3.3. Ventajas y desventajas de la cloración 4. Ozonización 5. Desinfección por radiación ultravioleta  1. FUNDAMENTOS DE LA DESINFECCIÓN 1.1. Desinfección y esterilización  DEFINICIÓN Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN La destrucción selective de organismos que causan enfermedades (organismos patógenos) hasta un nivel en el que no constituyan un riesgo para la salud humana cuando el agua es empleada para usos domésticos, incluyendo bebida.  Organismos diana: bacterias y esporas de bacterias, virus, protozoos y quistes de protozoos, gusanos parásitos y larvas  Esterilización: Proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos..  Métodos de desinfección:  Capacidad para eliminar organismos diana a una concentración por debajo del límite de toxicidad para los humanos  Acción rápida  Suficiente persistencia para prevenir re-crecimiento de los organismos  Que no forme sub-productos indeseables 1. FUNDAMENTOS DE LA DESINFECCIÓN 1.2. Métodos de desinfección  Agentes químicos: Son productos oxidantes. El más utilizado, el cloro. Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Los detergentes también tienen poder desinfectante. El ozono es también muy eficaz aunque no deja una concentración residual que permita valorar su presencia después del tratamiento. El agua muy ácida o muy alcalina también se han usado como desinfectantes.  Agentes físicos: Principalmente la luz y el calor. El agua caliente a la temperatura de ebullición destruye las principales bacterias causantes de enfermedades (que no formen esporas). La luz actúa como desinfectante por la radiación ultravioleta.  Medios mecánicos: Como el tamizado, la sedimentación o los procesos biológicos. Las eliminaciones conseguidas se obtienen como subproducto de la función primaria del proceso,  Radiación: Principalmente mediante radiación electromagnética, acústica y radiación de partículas. La destrucción se produce debido a la penetración de la radiación en las células de los organismos diana (ejemplo: rayos gamma).  1. FUNDAMENTOS DE LA DESINFECCIÓN 1.3. Mecanismos de acción de los desinfectantes 1. Daño o destrucción de la pared celular Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Produce la lisis celular y la muerte de la célula (Por ejemplo, el ozono). 2. Alteración de la permeabilidad de las células Al alterar esta permeabilidad selectiva puede producirse la pérdida de nutrientes vitales como el nitrógeno y el fósforo (Detergentes). 3.Alteración de la naturaleza coloidal del protoplasma Ejemplos: el calor, la radiación y agentes fuertemente ácidos o alcalinos. El calor coagula la proteína celular y los ácidos o las bases desnaturalizan las proteínas produciendo un efecto letal. 4. Inhibición de la actividad enzimática Los agente químicos como el cloro pueden alterar la estructura química de las enzimas dando lugar a su desactivación 2. FACTORES QUE AFECTAN A LA DESINFECCIÓN 2.1. Tiempo de contacto Por lo general, para una concentración dada de desinfectante, la mortalidad Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN de los patógenos aumenta cuanto mayor sea el tiempo de contacto. Ley de Chick: el proceso de desinfección sigue una cinética de pseudo- primer orden: dN / dt = - k Nt  Ln (N/No)=-kt Donde: Nt: número de organismos después de un tiempo “t” de tratamiento k: tasa de mortalidad específica para cada microorganismo y desinfectante La velocidad de desinfección puede determinarse representando gráficamente Log (N/No) frente al tiempo, obteniendo una línea recta cuya pendiente corresponde con la contante cinética del proceso. Metcalf and Eddy  2. FACTORES QUE AFECTAN A LA DESINFECCIÓN 2.2 Tipo y concentración del agente químico Según el agente químico empelado y dentro de ciertos límites, la Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN efectividad de la desinfección está relacionada con la concentración. El efecto de la concentración se ha formulado empíricamente con la siguiente expression: Donde: C: Concentración de desinfectante n: constante tp: tiempo necesario para alcanzar un porcentaje de mortalidad constante. n se puede obtener al representar gráficamente la concentración vs. Tiempo necesario para alcanzar un porcentaje dado de mortalidad: Si n>1  el tiempo de contacto es más importante que la dosis de desinfectante Si n ≈ 1  ambos (tiempo y dosis) tienen importancia cmparable 2. FACTORES QUE AFECTAN A LA DESINFECCIÓN 2.2 Tipo y concentración del agente químico Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  2. FACTORES QUE AFECTAN A LA DESINFECCIÓN 2.3. Otros factores Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  Temperatura: El aumento de la temperature produce un aumnto en la velocidad de mortalidad.  Tipos de organismos: Las esporas bacterianas son extremadamente resistentes, muchos de los agentes químicos empeados no tienen efecto sobre ellas y hay que recurrir a otros métodos como el calor.  Naturaleza del medio líquido: - La presencia de materia orgánica reduce la eficacia de los desinfectantes oxidantes al reacciona con ellos. - La turbidez reduce la efectividad de los desinfectantes debido a la adsorción y a la protección de las bacterias atrapadas.  Intensidad y naturaleza del agente físico: 3. CLORACIÓN Los objetivos fundamentales de la cloración son la desinfección del agua Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN y su protección en el abastecimiento a la población. La cloración debe garantizar la protección del agua una vez ha salido de la estación de tratamiento, a través de las conducciones de suministro. En el agua que sale por los grifos debe existir una mínima cantidad de cloro de forma obligada, habitualmente de 0.1 a 0.5 mg/L. La dosificación de cloro no solo se realiza al final de la línea de tratamiento de potabilización. Cuando se realiza al comienzo de la línea, antes de los procesos de coagulación-floculación y decantación, se denomina precloración. En precloración se llega a dosis de diseño de 4 mg/L. En la postcloración se alcanzan dosis de 2 mg/L. Los tiempos de contacto habituales son superiores a 30 minutos. También es habitual clorar en depósitos de la red de suministro, para mantener una concentración residual en el agua que sale por los grifos.  2. CLORACIÓN 2.1. Acción del cloro Cuando el cloro se hace burbujear en agua, tienen lugar dos reacciones: Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Hidrólisis: Cl2 + H2O  HClO + HCl El ácido hipocloroso, HClO, se ioniza en iones hidrógeno e hipoclorito, ClO- lonización: HClO  ClO- + H+ El ácido hipocloroso (HClO) y el ión hipoclorito (ClO-) son los que realizan la desinfección. El HClO tiene un poder desinfectante entre 40 y 80veces superior al ClO-. El grado de ionización depende directamente del pH y la eficacia real de la desinfección depende de la proporción HClO/ClO-, siendo mayor cuanto mayor es esta relación. - Si el pH es inferior a 2, todo el cloro está en forma molecular, - Si el pH está comprendido entre 5 y 10 se tiene una mezcla de ácido hipocloroso e ión hipoclorito. - Por debajo de pH 5 puede existir algo de cloro residual. Distribución de ácido hipocloroso y de ión hipoclorito en función del pH 3. CLORACIÓN 3.1. Acción del cloro El cloro presente en el agua en forma de ácido hipocloroso, iones hipoclorito Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN y cloro molecular se denomina cloro libre. Si en el agua a desinfectar tenemos nitrógeno en forma amoniacal se forman las cloraminas. El cloro que se encuentra formando cloraminas se denomina cloro combinado que, aunque en menor intensidad que el cloro libre, también tiene un efecto desinfectante. A la suma del cloro libre y el cloro combinado se denomina cloro disponible total. El hecho de que el cloro libre reaccione con el amoniaco unido al hecho de que el cloro es un fuerte agente oxidante complica el mantenimiento de una cantidad residual necesaria para la desinfección de las aguas. La adición de cloro más allá del break-point da como resultado un aumento proporcional de cloro libre disponible (hipoclorito sin reaccionar), quedando así asegurada la desinfección.  3. CLORACIÓN 3.1. Acción del cloro Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN 3. CLORACIÓN 3.1. Acción del cloro Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Tramo O-A: Cuando se añade cloro, las sustancias fácilmente oxidables (Fe2+, Mn2+, H2S o materia orgánica) reaccionan con el cloro reduciéndolo a ión cloruro. La formación de cloruros no tiene mayor interés en la desinfección. Tramo A-B: Una vez satisfecha la demanda inmediata, el cloro continúa reaccionando con el amoniaco para formar cloraminas. Tramo B-C: Si se sigue aumentando la dosis de cloro, las cloramionas empiezan a convertirse en tricloruro de nitrógeno que no es desinfectante pero sí volátil, mientras que las cloraminas restantes se oxidan a óxido nitroso y nitrógeno. Llega un momento en que todas las cloraminas se han oxidado. A esta dosis se la denomina de “break-point”. Tramo C-D: El cloro residual aumenta linealmente con la dosificación.  3. CLORACIÓN 3.2. Compuestos de cloro más utilizados  CLORO GAS/CLORO LÍQUIDO Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  Es el más utilizado.  El cloro gas se usa normalmente en grandes instalaciones  Se comprime y almacena como líquido en bidones o cilindros  El gas se disuelve directamente en el agua a través de un inyector para formar una disolución concentrada que se dosifica al agua  Necesidad de elevadas medidas de seguridad en la instalación de almacenamiento del cloro.  HIPOCLORITO SÓDICO (líquido)  HIPOCLORITO CÁLCICO (en polvo o granulado)  DIÓXIDO DE CLORO (ClO2) Debe generarse in situ a partir del clorito sódico por dos vías, bien por reacción con cloro o con ácido clorhídrico, según las reacciones: 2 NaClO2 + Cl2  2 ClO2 + 2 NaCl 5 NaClO2 + 4 HCl  4 ClO2 + NaCl + 2 H2O 3. CLORACIÓN 3.2. Compuestos de cloro más utilizados Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  2. CLORACIÓN 2.3. Ventajas y desventajas de la cloración Ventajas del uso de cloro y derivados Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  Tienen un alto poder desinfectante además de una acción desinfectante residual.  Es el método menos caro y más sencillo de aplicar, independientemente del tamaño de la instalación.  Oxida el hierro soluble, manganeso y sulfuros.  Mejora la eliminación del color.  Oxida partículas en suspensión favoreciendo la etapa de coagulación- floculación Desventajas del uso de cloro y derivados  La principal desventaja es la formación de los subproductos peligrosos para la salud humana: subproductos orgánicos, organohalogenados o clorofenoles.  Su concentración en aguas potables se encuentra limitada por la legislación vigente (RD 140/2003).  Hay microorganismos como los protozoos patógenos (Cryptosporidium) y algunos virus muy resistentes al cloro y derivados.  Dependiendo de la dosis, problemas de olor y sabor en el agua final. 4. OZONIZACIÓN El ozono (O3) es un agente oxidante muy poderoso debido a los radicales libres que se forman, y es más soluble en agua que el oxígeno. Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Destruye la pared celular de los patógenos. En disolución acuosa es relativamente inestable, descomponiéndose rápidamente en oxígeno. Es un método común de desinfección en Europa (aplicaciones en Holanda desde 1893 y en 1915 había sobre 50 plantas industriales en funcionamiento). El ozono es un compuesto muy inestable que se descompone rápidamente en oxígeno, por lo que hay que generarlo en el momento de su aplicación. Los radicales HO2 y HO tienen gran poder oxidante y son los probables responsables de la acción desinfectante del proceso.  4. OZONIZACIÓN El Ozono se puede producir artificialmente a partir de aire o de Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN oxígeno puro, al hacer circular una corriente de alto voltaje entre dos electrodos separados por un espacio muy pequeño. La corriente de gas que se produce en el proceso contiene: - Entre un 0.5 y 3% si se obtienen a partir e aire - entre y 6% se se obtiene a partir de oxígeno puro 4. OZONIZACIÓN Ventajas de la ozonización: Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  Mayor acción bactericida y de más amplio espectro que el cloro y el dióxido de cloro, ya que es activo contra quistes y ciertas formas de virus resistentes al cloro (especialmente el Cryptosporidium).  No introduce sustancias extrañas en agua  No conduce a la formación de organohalogenados ni de cloraminas  Se requieren menores concentraciones y menores tiempos de contacto (0.4 ppm durante 4 minutos es una concentración y tiempo de contacto eficaz para eliminar bacterias y virus)  No altera el pH del agua  Mejora la coagulación  Eleva la concentración de oxígeno en el agua desinfectada, debido a la descomposición del ozono  Elimina hierro, manganeso y sulfuros  Elimina olor, color y sabor del agua  4. OZONIZACIÓN Desventajas de la ozonización: Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  Su mayor coste, tanto en equipos como en costes de operación (del orden de 2 a 3 veces los del cloro).  No mantiene una concentración residual en el agua, lo que obliga a realizar una post-cloración.  En aguas con concentraciones de bromuro superiores a 0.1 mg/L produce subproductos bromados (bromoformo, ácidos acéticos bromados, bromopicrina, acetonitrilos bromados) que pueden ser incluso más peligrosos para la salud que los no bromados.  La concentración de ozono decae rápidamente a elevados pH y temperaturas altas.  Requiere un alto nivel de mantenimiento y operarios cualificados. 4. OZONIZACIÓN Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN Suele ser conveniente una filtración posterior para eliminar hidróxidos metálicos insolubles que se hayan formado  5. DESINFECCIÓN POR RADIACIÓN ULTRAVIOLETA Los efectos bactericidas de la luz solar intensa son debidos Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN principalmente a la radiación ultravioleta. La radiación UV comprende las siguientes longitudes de onda: - 100 a 200 nm (UV de vacío) - 200 a 280 nm (UVC) - 280 a 315 nm (UVB) - 315 a 400 nm (UVA) La acción destructiva máxima ocurre para longitudes de onda comprendidas entre 250-265 nanómetros. Las lámparas de vapor de mercurio a baja presión emiten energía radiante a 254 nm. 5. DESINFECCIÓN POR RADIACIÓN ULTRAVIOLETA Los ácidos nucleicos de las células bacteriales absorben esta energía y se Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN destruyen a continuación. Además, la radiación UV produce agua oxigenada (peróxido de hidrógeno en disolución acuosa), la cual también tiene un efecto oxidante, contribuyendo a destruir las células. El grado de desactivación de microorganismos depende de la fluencia germicida o dosis aplicada (H0, J/m2), la cual es producto de la tasa de fluencia o intensidad de irradiación (E0, W/m2) y el tiempo de duración (t, segundos) de la irradiación. Para asegurar la transmisión de la radiación UV debe usarse cuarzo ya que el vidrio ordinario absorbe este tipo de radiación. El agua a desinfectar debe estar libre de sólidos en suspensión, y aún así, absorberá a una profundidad de 3 cm un 8% de la energía aplicada con una reflexión de un 2% en la superficie. La turbidez, algas y color constituyen barreras naturales a la penetración de radiaciones ultravioleta. Algunas sustancias disueltas, como el hierro y el manganeso, también atenúan la energía.  5. DESINFECCIÓN POR RADIACIÓN ULTRAVIOLETA Ventajas de la desinfección por UV Tema 7. PROCESOS DE DESINFECCIÓN  No se añade ninguna sustancia al agua que cambie su calidad.  Formación de subproductos durante la desinfección es insignificante. El formaldehido a bajas concentraciones ha sido el único subproducto detectado.  Muy efectiva sobre un amplio rango de microorganismos patógenos (giardia, cryptosporidia).  No afecta al olor ni sabor del agua tratada  La tecnología es fácilmente automatizable mediante sensores y es segura para el operario. Desventajas de la desinfección por UV  Solo se aplica para baja turbidez y color.  No tiene efecto residual.  Se debe controlar el ensuciamiento de los tubos de las lámparas  En el caso de altas concentraciones de ion nitrato se ha detener en cuenta la formación de iones nitrito por efecto de la radiación UVC.