La purificación del agua es el proceso de eliminar sustancias químicas indeseables, contaminantes biológicos, sólidos en suspensión y gases del agua . El objetivo es producir agua que sea 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 en suspensión, incluidas partículas suspendidas , 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 suelen ser establecidos por los gobiernos o por estándares internacionales. Estos estándares suelen incluir concentraciones mínimas y máximas de contaminantes, según el uso previsto del agua.
Una inspección visual no puede determinar si el agua es de la calidad adecuada. Procedimientos simples como hervir o usar un filtro doméstico de carbón activado no son suficientes para tratar todos los posibles contaminantes que pueden estar presentes en el agua de origen desconocido. Incluso el agua de manantial natural (considerada segura para todos los fines prácticos en el siglo XIX) ahora debe ser analizada antes de determinar qué tipo de tratamiento, si corresponde, es necesario. Los análisis químicos y microbiológicos , aunque costosos, son la única forma de obtener la información necesaria para decidir el método de purificación adecuado.
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. Se encuentran disponibles técnicas muy variadas para eliminar contaminantes como sólidos finos, microorganismos y algunos materiales orgánicos e inorgánicos 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 que se esperan del agua procesada.
Los procesos siguientes son los que se utilizan habitualmente en las plantas de purificación de agua. Es posible que algunos o la mayoría no se utilicen dependiendo de la escala de la planta y la calidad del agua cruda (fuente).
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 muy variables dependiendo de la geología de la cuenca de drenaje o acuífero y de la influencia de los aportes contaminantes ( lluvia ácida ). Si el agua es ácida (inferior a 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 calcio, aumentando 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. [2] Hacer que el agua sea alcalina 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 en las tuberías de plomo y en las soldaduras de plomo de los accesorios de las tuberías. Una alcalinidad suficiente también reduce la corrosividad del agua en las tuberías de hierro. En algunas circunstancias, se puede agregar ácido ( ácido carbónico , ácido clorhídrico o ácido sulfúrico ) a las aguas alcalinas para reducir 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 carbonato de calcio para proteger las superficies metálicas y reducir la probabilidad de que metales tóxicos se disuelvan en agua es función del pH, el contenido mineral, la temperatura, la alcalinidad y la concentración de calcio. [3]
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 sobre 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 mediante 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 hidróxidos grandes y amorfos de aluminio y hierro (III) adsorben y entrelazan partículas en suspensión y facilitan la eliminación de partículas mediante procesos posteriores de sedimentación y filtración . [4] : 8,2–8,3
Los hidróxidos de aluminio se forman dentro de un rango de pH bastante estrecho, típicamente: 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 inferiores a los efectivos para el alumbre, normalmente: 5,0 a 8,5. [5] : 679
En la literatura existe 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, seguido de depósitos de floculación (los tiempos de detención varían de 15 a 45 minutos) donde los aportes de baja energía hacen girar grandes paletas o otros dispositivos de mezcla suaves para mejorar la formación de flóculos. De hecho, los procesos de coagulación y floculación continúan una vez que se añaden los coagulantes de sales metálicas. [6] : 74–5
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 puentes entre partículas, se fusionan con otras partículas para formar flóculos. PolyDADMAC es un polímero orgánico catiónico (cargado positivamente) popular que se utiliza en plantas de purificación de agua. [5] : 667–8
Las aguas que salen del estanque de floculación pueden ingresar al estanque de sedimentación , también llamado estanque clarificador o decantador. Es un tanque grande con bajas velocidades de agua, lo que permite que el flóculo se deposite 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. La salida de la cuenca de sedimentación suele realizarse a través de un vertedero, por lo que solo sale una fina capa superior de agua, la más alejada del lodo.
En 1904, Allen Hazen demostró que la eficiencia de un proceso de sedimentación era función de la velocidad de sedimentación de las partículas, el flujo a través del tanque y el área de la superficie del tanque. Los tanques de sedimentación generalmente se diseñan 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 es función del tiempo de detención o de la profundidad de la cuenca. Sin embargo, 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 aglomeración de partículas. Los tiempos típicos de detención de la sedimentación varían de 1,5 a 4 horas y las profundidades de la cuenca varían de 10 a 15 pies (3 a 4,5 metros). [4] : 9,39–9,40 [5] : 790–1 [6] : 140–2, 171
Se pueden agregar clarificadores de láminas , placas planas inclinadas o tubos a los estanques de sedimentación tradicionales para mejorar el rendimiento de eliminación de partículas. Las placas y tubos inclinados aumentan drásticamente la superficie disponible para eliminar las partículas, de acuerdo con la teoría original de Hazen. La cantidad de superficie terrestre ocupada por una cuenca de sedimentación con placas o tubos inclinados puede ser mucho menor que la de una cuenca de sedimentación convencional.
A medida que las partículas se depositan en el fondo de un estanque de sedimentación, se forma una capa de lodo en el suelo del tanque que debe eliminarse y tratarse. La cantidad de lodos generados es importante, a menudo entre el 3 y el 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 estanque de sedimentación puede estar equipado con dispositivos de limpieza mecánicos que limpian continuamente su fondo, o el estanque puede ponerse fuera de servicio periódicamente y limpiarse manualmente.
Una subcategoría de sedimentación es la eliminación de partículas al quedar atrapadas en una capa de flóculos suspendidos a medida que el agua es impulsada hacia arriba. La principal ventaja de los clarificadores de manta flocada es que ocupan un espacio menor que la sedimentación convencional. Las desventajas son que la eficiencia de eliminación de partículas puede ser muy variable dependiendo de los cambios en la calidad del agua afluente y el caudal del agua afluente. [5] : 835-6
Cuando las partículas que se van a eliminar no se sedimentan 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 a los tanques DAF, donde los difusores de aire en el fondo del tanque crean finas burbujas que se adhieren al flóculo, lo que da como resultado una masa flotante de flóculo concentrado. La capa de flóculo flotante 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. [4] : 9,46
Después de separar la mayor parte del flóculo, el agua se filtra como paso final para eliminar las partículas suspendidas restantes y el flóculo no sedimentado.
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 carbón de antracita encima de la arena. La capa superior elimina los compuestos orgánicos que contribuyen al sabor y el olor. El espacio entre las partículas de arena es mayor que el de las partículas más pequeñas en suspensión, por lo que una simple filtración 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 eficaz 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 atascaría rápidamente. [7]
Para limpiar el filtro, el agua pasa rápidamente hacia arriba a través del filtro, en dirección opuesta a la normal (llamado retrolavado o retrolavado ) para eliminar partículas incrustadas o no deseadas. Antes de este paso, se puede soplar aire comprimido a través del fondo del filtro para romper el medio filtrante compactado y ayudar en el proceso de retrolavado; esto se conoce como fregado por aire . Esta agua contaminada puede eliminarse junto con los lodos de la cuenca de sedimentación, o puede reciclarse 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 cruda.
Algunas plantas de tratamiento de agua emplean filtros de presión. Estos funcionan según el mismo principio que los filtros rápidos por gravedad, pero se diferencian en que el medio filtrante está encerrado en un recipiente de acero y el agua es forzada a través de él bajo presión.
Ventajas:
Se pueden utilizar filtros de arena lentos donde haya suficiente terreno y espacio, ya que el agua fluye muy lentamente a través de los filtros. Estos filtros dependen de 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 la parte inferior y la arena más fina en la parte superior. Los desagües en la base conducen el agua tratada para su desinfección. La filtración depende del desarrollo de una fina capa biológica, llamada capa zoogleal o Schmutzdecke , en la superficie del filtro. Un filtro lento de arena eficaz puede permanecer en servicio durante muchas semanas o incluso meses, si el pretratamiento está bien diseñado y produce agua con un nivel muy bajo de nutrientes disponibles 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 sistemas de distribución con niveles muy bajos de desinfectante, lo que reduce la irritación de los consumidores por los niveles ofensivos de cloro y sus subproductos. Los filtros de arena lentos no se lavan a contracorriente; se mantienen raspando la capa superior de arena cuando el flujo finalmente se ve obstruido por el crecimiento biológico. [8]
En la filtración de orillas , los sedimentos naturales de la orilla de un río se utilizan para proporcionar la primera etapa de filtración de contaminantes. Si bien normalmente no es lo suficientemente limpia para ser utilizada directamente como agua potable, el agua obtenida de los pozos de extracción asociados es mucho menos problemática que el agua de río extraída directamente del río.
Los filtros de membrana se utilizan ampliamente para filtrar tanto agua potable como aguas residuales . En el caso del agua potable, los filtros de membrana pueden eliminar prácticamente todas las partículas de más de 0,2 μm, incluidas la giardia y el criptosporidio . 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 ciudades situadas más abajo. Se utilizan ampliamente en la industria, particularmente para la preparación de bebidas (incluida el agua embotellada ). Sin embargo, ninguna filtración puede eliminar sustancias que realmente están disueltas en el agua, como fosfatos , nitratos e iones de metales pesados .
Las membranas de ultrafiltración utilizan membranas poliméricas 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 hacer pasar el agua y qué tamaños de microorganismos se pueden filtrar. [ cita necesaria ]
Intercambio iónico : [9] Los sistemas de intercambio iónico utilizan columnas rellenas de resina de intercambio iónico o zeolita para reemplazar los iones no deseados. El caso más común es el ablandamiento del agua que consiste en la eliminación de iones Ca 2+ y Mg 2+ reemplazándolos con iones Na + o K + benignos (compatibles con el jabón) . Las resinas de intercambio iónico también se utilizan para eliminar iones tóxicos como nitrito , plomo, mercurio , arsénico y muchos otros.
Ablandamiento por precipitación : [4] : 13,12–13,58 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 de la solución utilizando el ion común. efecto .
Electrodesionización : [9] Se pasa agua entre un electrodo positivo y un electrodo negativo. Las membranas de intercambio iónico permiten que sólo los iones positivos migren del agua tratada hacia el electrodo negativo y sólo 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. Normalmente, el agua se trata previamente con una unidad de ósmosis inversa para eliminar los contaminantes orgánicos no iónicos y con membranas de transferencia de gases 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.
La desinfección se logra filtrando microorganismos dañinos y agregando productos químicos desinfectantes. El agua se desinfecta para matar cualquier patógeno que pase a través de los filtros y para 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 un almacenamiento temporal (a menudo llamado tanque de contacto o pozo claro ) para permitir que se complete la acción desinfectante.
El método de desinfección más común implica alguna forma de cloro o sus compuestos como cloramina o 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 liberación asociado 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 in situ electrolizando soluciones de sales comunes. Una forma sólida, el hipoclorito de calcio , libera cloro al entrar en contacto con el agua. Sin embargo, manipular el sólido requiere un contacto humano más rutinario al abrir bolsas y verterlo 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 cloro gaseoso o sólido. Se consideran seguros niveles de cloro de hasta 4 miligramos por litro (4 partes por millón) en el agua potable. [10]
Todas las formas de cloro se utilizan ampliamente, a pesar de sus respectivos inconvenientes. Un inconveniente es que el cloro de cualquier fuente reacciona con los compuestos orgánicos naturales del 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 agregar 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 .
El dióxido de cloro es un desinfectante de acción más rápida que el cloro elemental. Se utiliza relativamente raramente 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 se puede suministrar como una solución acuosa y agregarse al agua para evitar problemas de manipulación del gas; Las acumulaciones de gas dióxido de cloro pueden detonar espontáneamente.
Cada vez es más común el uso de cloramina como desinfectante. Aunque la cloramina no es un oxidante tan fuerte, proporciona un residuo más duradero que el cloro libre debido a su menor potencial redox en comparación con el cloro libre. Tampoco forma fácilmente THM ni ácidos haloacéticos ( subproductos de la desinfección ).
Es posible convertir 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.
El ozono es una molécula inestable que cede fácilmente un átomo de oxígeno, proporcionando un poderoso agente oxidante que es tóxico para la mayoría de los organismos transmitidos por el agua. Es un desinfectante muy fuerte y de amplio espectro que se usa ampliamente 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 hacer pasar oxígeno a través de luz ultravioleta o una descarga eléctrica "fría". Para utilizar el ozono como desinfectante, se debe crear en el sitio y agregarse al agua mediante 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. [11] En ausencia de un desinfectante residual en el agua, se puede agregar cloro o cloramina en todo el sistema de distribución para eliminar cualquier patógeno potencial en las tuberías 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 Alimentos y Medicamentos de 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 bromuro en el agua para producir concentraciones del supuesto carcinógeno bromato . El bromuro se puede encontrar en los suministros de agua dulce en concentraciones suficientes para producir (después de la ozonización) más de 10 partes por mil millones (ppb) de bromato, el nivel máximo de contaminante establecido por la USEPA. [12] La desinfección con ozono también consume mucha energía.
La luz ultravioleta (UV) es muy eficaz para inactivar los quistes en aguas de baja turbidez. La eficacia de la desinfección de la luz ultravioleta disminuye a medida que aumenta la turbidez, como resultado de la absorción , dispersión y sombra causada por los sólidos suspendidos. La principal desventaja del uso de la radiación UV es que, al igual que el tratamiento con ozono, no deja ningún desinfectante residual en el agua; por lo tanto, a veces es necesario agregar un desinfectante residual después del proceso de desinfección primaria. Esto a menudo se hace mediante la adición de cloraminas, mencionadas anteriormente como desinfectante primario. Cuando se usan de esta manera, las cloraminas proporcionan un desinfectante residual eficaz 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. [13]
Al igual que los rayos UV, se han utilizado radiaciones ionizantes (rayos X, rayos gamma y haces de electrones) para esterilizar el agua. [ cita necesaria ]
El bromo y el yodo también se pueden utilizar como desinfectantes. Sin embargo, el cloro en el agua es 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 . [14] El yodo se usa comúnmente para la purificación de agua portátil y el bromo es común como desinfectante de piscinas .
Se encuentran disponibles dispositivos y métodos portátiles de purificación de agua para su desinfección y 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 por trazas químicas no afectan la seguridad del agua potable a corto plazo.
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.
Llevar el agua a su punto de ebullición (aproximadamente 100 °C o 212 F al nivel del mar) es la forma más antigua y eficaz, ya que elimina la mayoría de los microbios que causan enfermedades intestinales , [19] pero no puede eliminar toxinas químicas ni impurezas. [20] Para la salud humana, no es necesaria la esterilización completa del agua, ya que los microbios resistentes al calor no afectan los intestinos. [19] El consejo tradicional de hervir agua durante diez minutos es principalmente por seguridad adicional, ya que los microbios comienzan a expirar a temperaturas superiores a 60 °C (140 °F). Aunque el punto de ebullición disminuye al aumentar la altitud, no es suficiente para afectar la desinfección. [19] [21] En áreas donde el agua es "dura" (es decir, que contiene importantes sales de calcio disueltas), la ebullición descompone los iones de bicarbonato , lo que resulta en una precipitación parcial como carbonato de calcio . Esta es la "pelaje" 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 agua y, de hecho, aumenta su concentración (debido a que parte del agua se pierde en forma de vapor). La ebullición no deja residuos de desinfectante en el agua. Por lo tanto, el agua que se hierve y luego se almacena durante cualquier período de tiempo puede adquirir nuevos patógenos.
El carbón activado granular es una forma de carbón activado con una gran superficie. 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 olores. 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 metálicas de plata . Si se retiene agua en el bloque de carbón durante períodos más prolongados, pueden crecer microorganismos en su interior, lo que provoca incrustaciones y contaminación. Las nanopartículas de plata son un excelente material antibacteriano y pueden descomponer compuestos haloorgánicos tóxicos, como los pesticidas, en productos orgánicos no tóxicos. [22] El agua filtrada debe usarse poco después de filtrarse, ya que la pequeña cantidad de microbios restantes puede proliferar con el tiempo. En general, estos filtros domésticos eliminan más del 90% del cloro de 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 filtrado. [11]
La destilación implica hervir agua para producir vapor de agua . El vapor entra en contacto con una superficie fría donde se condensa como líquido. Como los solutos normalmente no se vaporizan, permanecen en la solución en ebullición. Incluso la destilación no purifica completamente el agua, debido a los contaminantes con puntos de ebullición similares y a las gotas de líquido no vaporizado transportadas con el vapor. Sin embargo, por destilación se puede obtener agua pura al 99,9%.
La destilación por membrana de contacto directo (DCMD) hace pasar agua de mar calentada a lo largo de la superficie de una membrana de polímero hidrófobo . 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.
La ósmosis inversa implica la aplicación de presión mecánica para forzar el agua a través de una membrana semipermeable . Los contaminantes quedan al otro lado de la membrana. La ósmosis inversa es teóricamente el método más completo disponible para purificar el agua a gran escala, aunque es difícil crear membranas semipermeables perfectas. A menos que las membranas estén bien mantenidas, las algas y otras formas de vida pueden colonizarlas. [23]
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 hidrato de gas. El hidrato se puede separar mediante centrífuga o sedimentación. Se puede liberar agua de los cristales de hidrato calentándolos. [24]
La oxidación química in situ (CIUO) 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. Puede usarse para remediar una variedad de compuestos orgánicos, incluidos algunos que son resistentes a la degradación natural.
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. [25] La biorremediación ha tenido éxito porque los percloratos son altamente solubles, lo que los hace difíciles de eliminar. [26] Ejemplos de aplicaciones de la cepa CKB de Decloromonas agitata incluyen estudios de campo realizados en Maryland y el suroeste de EE. UU. [26] [27] [28]
Peróxido de hidrógeno ( H
2oh
2) es un desinfectante común que puede purificar el agua. Normalmente se produce en plantas químicas y se transporta al agua contaminada. Un enfoque alternativo emplea un catalizador de oro-paladio para sintetizar H
2oh
2de los átomos de hidrógeno y oxígeno ambientales en el lugar de uso. Se informó que este último era más rápido y 10,7 veces más potente para matar Escherichia coli que el H comercial.
2oh
2, y más de 10 8 veces más eficaz que el cloro. La reacción catalítica también produce especies reactivas de oxígeno (ROS) que se unen y degradan otros compuestos. [29]
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. [30]
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 la película "protectora" dentro de las líneas de servicio más antiguas, lo que provoca la lixiviación del plomo en los grifos residenciales. Esto puede resultar en una exposición dañina, incluidos niveles elevados de plomo en sangre . El plomo es una neurotoxina conocida . [31]
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. [32] 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 del 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 pobre en minerales ha sido implicada en casos específicos de envenenamiento por plomo en bebés, cuando el plomo de las tuberías se filtraba en el agua a tasas especialmente altas. Las recomendaciones de magnesio se han fijado en un mínimo de 10 mg/L, con un nivel óptimo de 20 a 30 mg/L; para el calcio, un mínimo de 20 mg/l y un óptimo de 40 a 80 mg/l, y una dureza total del agua (agregando 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. [33] Además, los procesos de desalinización pueden aumentar el riesgo de contaminación bacteriana. [33]
Los fabricantes de destiladores de agua domésticos 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. [34] [35]
Los primeros experimentos sobre filtración de agua se realizaron en el siglo XVII. Sir Francis Bacon intentó desalinizar el agua de mar haciendo pasar 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 recién inventado para observar por primera vez pequeñas partículas de material suspendidas en el agua, sentando las bases para la futura comprensión de los patógenos transmitidos por el agua. [36]
El primer uso documentado de filtros de arena para purificar el suministro de agua data de 1804, cuando el propietario de una blanqueada en Paisley, Escocia , John Gibb, instaló un filtro experimental y vendió al público su excedente no deseado. [37] Este método fue perfeccionado en las dos décadas siguientes por ingenieros que trabajaban para compañías privadas de agua, y culminó con el primer suministro público de agua tratada del mundo, instalado por el ingeniero James Simpson para Chelsea Waterworks Company en Londres en 1829. [ 38] Esta instalación proporcionó agua filtrada para todos los residentes de la zona, 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 volvió común y corriente, y las virtudes del sistema se hicieron claramente evidentes después de las investigaciones del médico John Snow durante el brote de cólera de Broad Street en 1854 . Snow se mostró escéptico ante la entonces dominante teoría del miasma que afirmaba que las enfermedades eran causadas por "malos aires" nocivos. Aunque la teoría de los gérmenes sobre las enfermedades aún no se había desarrollado, las observaciones de Snow le llevaron a descartar la teoría predominante. 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 el Soho , [39] [40] con el uso de un mapa de distribución de puntos y pruebas estadísticas para ilustrar la conexión entre la calidad de la fuente de agua y los casos de cólera. Sus datos convencieron al ayuntamiento de desactivar la bomba de agua, lo que puso fin rápidamente al brote.
La Metropolis Water Act introdujo la regulación de las empresas de suministro de agua en Londres, incluyendo por primera vez estándares mínimos de calidad del agua. La ley "establecía disposiciones para asegurar el suministro a la metrópoli de agua pura y saludable" y requería que toda el agua fuera "filtrada eficazmente" a partir del 31 de diciembre de 1855. [41] A esto le siguió una legislación para la inspección obligatoria de la calidad del agua. , incluidos análisis químicos completos, en 1858. Esta legislación sentó un precedente mundial para intervenciones estatales de salud pública similares 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, fueron innovados en 1899 en Inglaterra. [37]
John Snow fue el primero en utilizar cloro con éxito para desinfectar el suministro de agua en el Soho que había ayudado a propagar el brote de cólera. William Soper también utilizó 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. [42] 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 su Todo el suministro de agua es tratado con cloro. [43]
La cloración permanente del agua comenzó en 1905, cuando un filtro de arena lento defectuoso y un suministro de agua contaminada provocaron una grave epidemia de fiebre tifoidea en Lincoln, Inglaterra . [44] Alexander Cruickshank Houston utilizó la cloración del agua para detener la epidemia. Su instalación alimentaba una solución concentrada de cloruro de cal al agua a tratar. La cloración del suministro de agua ayudó a detener la epidemia y, como medida de precaución, la cloración se continuó hasta 1911, cuando se instituyó un nuevo suministro de agua. [45]
El primer uso continuo de cloro en Estados Unidos para desinfección tuvo lugar en 1908 en el embalse de Boonton (en el río Rockaway ), que servía de suministro para Jersey City, Nueva Jersey . [46] La cloración se logró mediante adiciones controladas de soluciones diluidas de cloruro de cal ( hipoclorito de calcio ) en 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. [47] Durante los años siguientes, la desinfección con cloro utilizando cloruro de cal se instaló rápidamente en los sistemas de agua potable de todo el mundo. [48]
La técnica de purificación de agua potable mediante el uso de cloro gaseoso licuado comprimido fue desarrollada por un oficial británico del Servicio Médico Indio , Vincent B. Nesfield, en 1903. Según su propio relato:
Se me ocurrió que el cloro gaseoso podría resultar satisfactorio... si se encontraran medios adecuados para utilizarlo... La siguiente cuestión importante era cómo hacer que el gas fuera portátil. Esto podría lograrse de dos maneras: licuándolo y almacenándolo en recipientes de hierro revestidos de plomo, con un chorro con un canal capilar muy fino y provistos de un grifo o un tapón de rosca. Se abre el grifo y se coloca el cilindro en la cantidad de agua necesaria. El cloro sale a borbotones y en diez o quince minutos el agua es absolutamente segura. Este método sería útil a gran escala, como para los carros de servicio de agua. [49]
El mayor del ejército estadounidense 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 JL Lyster del Departamento Médico del Ejército utilizó una solución de hipoclorito de calcio en una bolsa de lino para tratar agua. Durante muchas décadas, el método de Lyster siguió siendo el estándar para las fuerzas terrestres estadounidenses en el campo y en los campos, implementado en la forma de la conocida Lyster Bag (también escrita como Lister Bag). La bolsa estaba hecha de lona y podía contener 36 galones de agua. Era poroso y estaba sostenido por cuerdas, purificando el agua con ayuda de una solución de hipoclorito de calcio. Cada bolsa tenía un grifo adjunto, que se usaba para descargar agua para realizar pruebas, así como para dispensarla para su uso. Esto se convirtió en la base de los sistemas actuales de purificación de agua municipal . [50]
Según un informe de 2007 de la Organización Mundial de la Salud (OMS), 1.100 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 a agua contaminada y a saneamiento e higiene inadecuados, mientras que 1,8 millones de personas mueren a causa de enfermedades diarreicas cada año. La OMS estima que el 94% de estos casos de enfermedades diarreicas se pueden prevenir mediante modificaciones del medio ambiente, incluido el acceso al agua potable. [51] Técnicas simples para tratar el agua en el hogar, como cloración, filtros y desinfección solar, y para almacenarla en contenedores seguros podrían salvar una gran cantidad de vidas cada año. [52] Reducir las muertes por enfermedades transmitidas por el agua es un importante objetivo de salud pública en los países en desarrollo.
El mercado mundial de la purificación del agua vale 22 mil millones de dólares. [53] Los filtros y purificadores de agua domésticos en la India son comunes. [54]
