La cloración del agua es un proceso empleado en los tratamientos de aguas para lograr la desinfección de bacterias y organismos patógenos.
La cloración se emplea en las partes finales de los tratamientos de potabilización, desalación, incluso depuración. En este proceso se busca eliminar los microorganismos que puedan haber sobrevivido a los procesos anteriores. Para esto se añade una sustancia oxidante (cloro o compuestos de cloro), que garantiza la calidad del agua ante posibles contaminaciones accidentales o durante su recorrido a través de la red de abastecimiento o saneamiento.
Además de lograr la destrucción de patógenos, también sirve para eliminar sólidos minerales y orgánicos no deseados. En este grupo se encuentran las sustancias que provocan olores y sabores desagradables en el agua.
Debido a estos casos y otros similares, se emplea el proceso de desinfección con cloro. El cloro es un producto químico de gran poder bactericida y remanente. Este compuesto químico logra destruir las enzimas fundamentales para la vida de estos agentes patógenos. Es decir, el cloro consigue eliminar los microorganismos patógenos que pueden existir en el agua, y en consecuencia, disminuye la probabilidad de transmisión de enfermedades por medio del agua.
Los efectos de clorar agua para consumo humano
El cloro es el reactivo más usado para desinfectar el agua destinada al consumo humano. El cloro posee un gran poder oxidante, que favorece la destrucción de las materias orgánicas.
La hipótesis más aceptada sobre cómo actúan y destruyen los desinfectantes a los microorganismos, se centra en las alteraciones físicas químicas y bioquímicas sobre la membrana o pared celular y de las enzimas. Cuando se ha destruido esta barrera protectora, se acaban las funciones vitales de la célula, y se produce su muerte.
Al añadir cloro en forma de Cl2 se producen dos reacciones químicas: la reacción de hidrólisis y reacción de disociación.
La reacción de hidrólisis se puede definir del modo:
Cl2 + H2O ↔HClO + HCl
Cuando el Cl2 se disuelve en agua, se hidroliza rápidamente para generar ácido hipocloroso (HClO) y ácido clorhídrico (HCl). En el caso de los hipocloritos, se produce la disociación de ambas sales de acuerdo a las ecuaciones
NaClO + H2O↔NaOH + HClO
Ca(ClO)2 +2H2O↔Ca(OH)2 + 2HClO
En cualquiera de los dos casos: cloro, hipoclorito sódico e hipoclorito cálcico, se acaba formando acido hipocloroso, que es realmente la especie desinfectante.
No obstante, el ácido hipocloroso HClO es un ácido débil que se disocia parcialmente en el agua del siguiente modo:
HClO↔ClO– + H+
El equilibrio está regido por la siguiente constante Ka, que presenta un valor aproximado de Ka= 3,2·10-8
El sentido de desplazamiento de estas reacciones de equilibrio depende del pH del medio. De modo que:
– Si el pH<2 todo el cloro se encuentra en forma molecular, por lo que no ejerce poder desinfectante en el agua.
– Si el pH=5, el cloro molecular ha desaparecido y se encuentra en forma de ácido hipocloroso (HClO)
– Si el pH=10 el cloro se encuentra combinado en forma de iones hipoclorito (ClO- )
La desinfección mediante cloración del agua
Se considera que el ácido hipocloroso es más eficaz como desinfectante que el ión hipoclorito. Este hecho podría estar motivado con la inexistencia de carga en la molécula de ácido hipocloroso. Al ser una molécula neutra, le sería más fácil penetrar la pared bacteriana con la consiguiente actividad bactericida.
Según diferentes estudios químicos, los datos muestran que el hipoclorito presenta diferente actividad bactericida a distintos valores de pH. Cuando el pH desciende de 7,5 la cantidad de hipoclorito necesaria para desinfectar un agua es mucho menor que para valores de pH superiores a 7,5. Por lo tanto, el cloro es más eficaz en medio acido que en medio básico o alcalino. Esto es debido a que su efecto bactericida es mayor cuando se encuentra en forma de hipocloroso.
Otro aspecto destacable en el uso de cloro como desinfectante es el tiempo de contacto con el agua. Su efecto aumenta con el tiempo de contacto entre el agua y el cloro. Un tiempo de contacto pequeño se puede compensar con el empleo de una mayor dosis de reactivo.
La magnitud de la constante de hidrolisis de equilibrio es tal, que la hidrólisis a ácido hipocloroso se completa prácticamente en el agua dulce a pH superior a 4, con la adición de cloro de 100 mg/L.
Con las cualidades anteriormente expuestas podemos concluir que el cloro es un producto muy eficaz en diversos aspectos del tratamiento del agua, tales como:
✅ Corrección de presencia de bulking
✅ Eliminación de metales del agua, como el hierro y el manganeso
✅ Eliminación de ácido sulfhídrico
✅ Eliminación de colorantes orgánicos
✅ Mejoras en la coagulación por dióxido de silicio
✅ Control de olores y sabores
✅ Prevención de crecimiento de algas
Niveles ambientales de cloro
Según diversos estudios científicos, el nivel medio de concentración de cloro en el aire ambiente es 1 mg/m3. Por otra parte, el cloro está presente en la mayoría del agua potable desinfectado a concentraciones de 0,2–1 mg/litro. También encontramos niveles de cloro en la comida. Por ejemplo, la harina blanqueada con cloro contiene cloruro a niveles en el rango de 1,3–1,9 g/kg. La harina sin blanquear puede contener pequeñas cantidades de clorito (400–500 mg/kg).
¿Por qué se usa la cloración del agua en aguas residuales?
El propósito fundamental del tratamiento del agua es proteger al consumidor de impurezas, que pueden ser dañinas para la salud humana. Un objetivo secundario es tratar las impurezas que, aunque no son directamente perjudiciales para la salud, pueden causar problemas como corrosión y decoloración. Estos propósitos se logran mediante el tratamiento de aguas.
En estos procesos se eliminan los sólidos en suspensión que pueden afectar la eficacia de la desinfección. Por ejemplo, la instalación de barreras como la coagulación y la filtración, que eliminan las impurezas por precipitación y captura de partículas. El objetivo principal del tratamiento antes de la desinfección es preparar el agua para una desinfección eficaz y fiable. La barrera final es la desinfección.
Alternativas a clorar el agua
El cloro es el desinfectante y oxidante más utilizado en el tratamiento del agua potable. Sin embargo, existen otras alternativas a la cloración del agua para lograr su desinfección. Estos son:
✳ El ozono
✳ El dióxido de cloro
✳ La monocloramina
El ozono es un poderoso oxidante y un excelente desinfectante. Se utiliza para el tratamiento del agua potable en muchas plantas de abastecimiento de agua en todo el mundo. Debe generarse in situ y, por tanto, es menos adecuado que el cloro para su aplicación en pequeñas plantas de tratamiento.
Ozono
El ozono no deja residuos en el sistema de distribución. Se descompone rápidamente en el agua. Aun así, se instalan medidores en la fase final del equipo de generación de ozono para eliminar el exceso.
Dióxido de cloro
El dióxido de cloro se usa en plantas de abastecimiento de agua. Es más frecuente en plantas con presencia de sabores clorofenólicos en el agua producto. Este efecto es consecuencia de la cloración de agua con partículas de fenol en suspensión. No forma trihalometanos y persiste en el agua de bebida, es decir, proporciona un residuo en el suministro distribuido.
Cloraminas
Sin embargo, el inconveniente del uso de este desinfectante es que produce clorito y clorato. Estas sustancias deben controlarse cuidadosamente, ya que son especies relativamente tóxicas. Los subproductos del dióxido de cloro no están bien caracterizados.
La monocloramina es un desinfectante menos potente que el cloro, el ozono o el dióxido de cloro. Pero, su ventaja es que se trata de un compuesto más persistente en el agua potable. Por eso, se ha utilizado para mantener un nivel residual bajo en un sistema de distribución durante muchos años.
El término «cloraminas» describe los tres compuestos que se pueden formar a partir de la reacción del amoníaco con el cloro: la monocloramina, la dicloramina y la tricloramina. Estos compuestos se forman en instalaciones de agua potable al realizar la cloraminación. También sucede, de forma natural en lugares con agua subterránea clorada que contengan amoníaco natural y en efluentes de aguas residuales cloradas.
Las cloraminas se forman de manera secuencial: primero monocloramina, luego dicloramina y, finalmente, tricloramina.
El objetivo de la cloraminación es la formación completa de monocloramina, así como evitar la formación de dicloraminas y tricloraminas. Se ha determinado que el ratio 5:1 Cl 2:N es el mejor ratio de carga. Esta proporción evita la formación de dicloramina, al tiempo que minimiza el amoníaco no reaccionado y controla la nitrificación y la formación de biopelículas. Se debe evitar la formación de dicloramina, porque genera problemas de sabor y olor.
Las fases de la cloración del agua
El proceso de clorar agua para consumo humano tiene tres etapas. Cada proceso tiene equipos y procedimientos diferentes. Las etapas de la cloración del agua en una planta de tratamiento son:
Precloración: En esta etapa la cantidad de cloro necesaria para superar se agrega el punto de interrupción. Esto garantiza que el nivel de cloro residual sea apropiado para una desinfección más lejos. Por lo general, la dosis de cloro se lleva proporcionalmente al flujo de agua a tratar.
Desinfección en planta: Esta etapa se lleva a cabo dentro del depósito de desinfección. En esta fase, se produce la desinfección del agua tratada. El jefe de planta determina el tiempo de contacto necesario para mantener un nivel residual de cloro. De esta forma, asegura que no se ha producido la contaminación microbiológica. Para llevar a cabo la entrada de cloro se necesita un equipo de dosificación de cloro.
Postcloración: Cuando el agua ha salido del tanque anterior, se puede aportar una cantidad de cloro adicional. El objetivo será garantizar que los niveles de cloro residual sean adecuados en los puntos de consumo. El equipo de control en línea es de gran importancia, ya que será el último responsable de mantener el nivel de cloro en la red de distribución.
¿Qué es el break point del cloro?
El breakpoint del cloro es un término utilizado en el proceso de desinfección mediante la cloración del agua. El punto de ruptura o “break point” es la dosis mínima de cloro necesaria para eliminar el amoníaco y parcialmente destruye las cloraminas que se formaron previamente. A partir del punto de ruptura, es decir, con la formación del cloro libre, se empiezan a cumplir las garantías de desinfección. El punto de ruptura es facilmente reconocible. Esto es debido al mal olor que desprende la mayor parte de los compuestos formados. Otra forma es por el escaso sabor a cloro que presenta el agua en ese punto.
Según hemos visto, el cloro libre es la forma de cloro que tiene propiedades desinfectantes efectivas. Las cloraminas no son tan eficaces en la desinfección y pueden generar subproductos no deseados, como trihalometanos, que son compuestos orgánicos volátiles potencialmente perjudiciales.
La dosificación para obtener agua clorada
Durante el proceso de cloración, se añade cloro al agua para eliminar patógenos y microorganismos. En un primer momento, el cloro reacciona con la materia orgánica y amonio presente en el agua. A medida que se sigue agregando cloro, se alcanza el breakpoint cloro, y se produce una reacción química que convierte el amonio en cloraminas. Este es el punto en el cual se ha alcanzado la demanda de cloro y cualquier cloro adicional añadido permanecerá como cloro libre disponible para la desinfección.
Equipo de dosificación para la cloración de aguas residuales
Existen en el mercado diversos sistemas de dosificación de cloro. Un equipo estándar para la desinfección final de una planta potabilizadora podría ser el siguiente:
Fuente: Hidritec
✅ un tanque de almacenamiento de hipoclorito sódico bien dimensionado para garantizar una autonomía de al menos 15 días al caudal y dosis de la planta. Tendrá instrumentación para la detección de nivel de fluido en el interior de máximo y mínimo nivel, y bloqueo de la instalación por nivel mínimo.
✅ un equipo de dosificación compuesto por dos bombas dosificadoras de membrana. Estas deben estar provistas con dispositivos de regulación electrónica (variadores de frecuencia) conectados mediante señal digital externa.
✅ tuberías desde el punto de almacenamiento hasta el punto de destino incluyendo valvuleria, rebosadero, sistema de vaciado y sistema de carga.
✅ un sistema automático con información proporcionada proporcionada por un medidor de cloro residual.
✅ la instalación de dosificación de cloro estará dimensionada a caudal máximo de la dosificación prevista.
La cloración final se realizará mediante la dosificación en el colector de salida de agua tratada, justo antes de la entrada en el depósito de agua tratada.
Laberintos de cloración del agua
Con el objetivo de aumentar el tiempo de contacto se emplean los laberintos de cloración. El laberinto de cloración consiste en un canal rectangular alargado que alterna tramos rectos y curvas de 180 grados.
Presenta unas condiciones hidráulicas de flujo pintón con ratios de L/A de al menos de 20:1 para evitar cortocircuitos (se recomienda 40:1) (Metcalf-Eddy, 2003).
Además es importante que la mezcla del agua tratada con el reactivo se realice correctamente antes de entrar al depósito de agua tratada o al sistema de abastecimiento. En este sentido debe estar bien dimensionado e instalado el equipo de dosificación de hipoclorito anteriormente descrito.
El tiempo de contacto suele oscilar entre 20 y 30 minutos a caudal medio. No debe ser inferior a 15 minutos para que el acción del cloro alcance su objetivo
La velocidad en el canal o laberinto debe ser de 2-4 m/min. evitando así posibles sedimentaciones de sólidos en el fondo.
Un ejemplo de dosificación para un efluente sin nitrificación y filtrado, con menos de 10 mg/L en DBO5 y en SST, sería de 4- 6 mg/l de Cl2,con un tiempo de contacto de 20 minutos, para llegar a menos de 2.000 de coliformes fecales.
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Siempre ha trabajado en ingeniería de aguas y energía en grandes empresas como FCC y ACS. Actualmente, lidera el equipo de TECPA y disfruta con la docencia de contenidos innovadores.
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