DESINFECCION DEL AGUA CON CLORO Y CLORAMINAS

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1 DESINFECCION DEL AGUA CON CLORO Y CLORAMINAS

2 INDICE: 1- INTRODUCCION: a. POR QUÉ CLORO Y POR QUÉ CLORAMINAS? b. ELECCION DEL DESINFECTANTE RESIDUAL. 2- CLORAMINAS: a. QUÉ SON? b. QUE TIPO HAY? c. BAJO QUE CONDICIONES SE FORMAN? d. POR QUÉ SON BACTERICIDAS? e. CARACTERISTICAS DE LAS CLORAMINAS. f. INFORMACION TOXICOLOGICA. 3- CONCLUSIONES: a. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE CLORAMINAS. Página 2 de 15 Julio 2011

3 DESINFECCION DEL AGUA CON CLORO Y CLORAMINAS. 1- INTRODUCCION: La desinfección del agua, y más concretamente la cloración, está siendo objeto de polémica en los últimos años como consecuencia de los subproductos de la desinfección, llegando a cuestionarse la necesidad de la propia desinfección en muchos casos. La transposición de la Directiva Europea relativa a la calidad de las aguas destinadas a consumo humano, exige que el agua sea desinfectada, fijando unos valores de Cloro Libre y Residual en la red de abastecimiento (1mg/l para Cloro Libre, y 2 mg/l para Cloro Combinado). El consumo de cloro por el agua de una red de distribución, se debe al consumo de este por sustancias presentes en el agua, y por condiciones físico-químicas (principalmente temperatura y el contenido en materias orgánicas disueltas y otras inorgánicas capaces de ser oxidadas) y por la interacción con los productos de corrosión y por los depósitos y biomasa fijadas en las paredes. La disminución del cloro residual en una masa de agua viene expresada por la siguiente ecuación: C (t) = C 0 e -k t C(t)= Concentración de cloro (mg/l) en el tiempo t. C 0 = Concentración inicial de cloro (mg/l). T= tiempo de reacción. Es decir, hay una disminución exponencial del cloro residual con el paso del tiempo. Las dos técnicas de cloración empleadas son la cloración libre residual (mas frecuente) y la cloración libre combinada. Estas técnicas consisten en lo siguiente: - Cloración Residual Libre: supone la aplicación de cloro al agua para conseguir que quede cloro libre, tanto a la salida de la planta de tratamiento como en la red de abastecimiento. Se puede conseguir directamente, o tras la destrucción del amoniaco. - Cloración Residual Combinada: esta implica la reacción del cloro con el amoniaco añadido (sin que este se destruya) y el mantenimiento de este cloro residual combinado en la red. Si empleamos cloro como desinfectante primario, la formación de THM s y otros subproductos, se ve favorecido por el aumento de la dosis del cloro y del tiempo de contacto con el agua. Se presenta entonces el problema de si se debe o no mantener una determinada concentración de cloro residual para prevenir posibles contaminaciones, recrecimiento del biofilm, etc. Si se mantiene un desinfectante residual en la red (por ejemplo el cloro libre), habría que volver a reclorar el agua en algunos abastecimientos, manteniéndola así durante un largo periodo de tiempo, lo que implicaría que los factores antes citados (C y t) aumentaran, potenciando la formación de los THM s. Expuesto este problema, seria conveniente buscar una alternativa al cloro libre, que además de no formar estos productos, fuera más estable manteniendo así su concentración constante desde que sale de la estación de tratamiento hasta que llega al consumidor. Esta posible alternativa, seria la solución del cloro residual combinado, en forma de cloraminas. Página 3 de 15 Julio 2011

4 Hay varias razones a favor del mantenimiento de un desinfectante residual en el sistema de distribución: 1- Controlar y minimizar el recrecimiento del biofilm. 2- Reducir el riesgo de una contaminación del exterior al interior de la red de distribución. 3- Estabilizar la calidad del agua en el sistema, tanto en lo que respecta a la formación de biofilm y recrecimiento bacteriano, como en lo que respecta a la reducción de fenómenos de corrosión de la red (la corrosión es un factor importante en la reducción del cloro residual). 4- El uso de cloro residual, servirá como indicador de roturas del sistema de distribución, y puede ser usado para detectar intrusiones, de manera mas rápida que con una monitorización microbiológica, y además, el análisis continuo abarca a prácticamente a todo el volumen de agua del sistema. a- Por qué Cloro y por qué Cloraminas? La desinfección con Cloro, puede conllevar la generación de sustancias perjudiciales para la salud de los consumidores, conocidas como subproductos de la desinfección, con valores máximos fijados en las diferentes reglamentaciones, y que han sido el motivo de que no se empleen determinados desinfectantes, o al menos que se replantee su empleo. De esta manera, se está acudiendo en muchos abastecimientos al empleo de las cloraminas, como desinfectantes secundarios, para mantener durante más tiempo una determinada concentración de Cloro Residual Combinado en la red y generar menos subproductos de la desinfección, en concreto THM s (Triahalometanos). b- Elección del desinfectante residual. Al igual que para la elección del desinfectante primario se sigue un proceso de valoración de ciertos parámetros tales como la inactivación microbiológica, o la concentración limite para la generación de subproductos, para la selección de un desinfectante secundario se puede seguir un proceso equivalente. Desinfectante secundario es aquel que se emplea en algunos sistemas de tratamiento y abastecimiento, con el objetivo de mantener un desinfectante residual a lo largo del sistema de distribución. El empleo de uno u otro desinfectante secundario dependerá del desinfectante primario empleado. Para la elección del desinfectante secundario es conveniente considerar tres factores: - Concentración de Carbono Orgánico Asimilable (COA): se produce cuando el contenido de carbono orgánico total es elevado y el agua ha sido tratada con un desinfectante altamente oxidante, como por ejemplo el ozono. En estos casos es aconsejable la filtración biológica o con carbono activo del agua antes de salir de la planta de tratamiento. - Formación de subproductos de la desinfección: son los subproductos que se forman en la red de distribución (fundamentalmente si se usa cloro). - Tiempo de retención en el sistema de distribución: en los sistemas de distribución extensos o con tiempos de retención prolongados, pueden ser necesarias estaciones de desinfección suplementarias (recloración) para mantener la concentración deseada del desinfectante residual, siempre y cuando no se usen desinfectantes estable como son las cloraminas. Página 4 de 15 Julio 2011

5 Si se implanta el mantenimiento de un desinfectante residual, se debe minimizar este residual y sus subproductos siendo necesario: - Tratar el agua para reducir la materia orgánica natural, la cual sirve como precursor de los subproductos derivados de la desinfección. - Tratar el agua para mejorar la estabilidad del desinfectante residual, ya que cuanto mas estable sea el residual, menos cantidad del desinfectante será necesario. - Hacer una correcta elección del desinfectante, siguiendo los criterios de máxima estabilidad, máximo control del biofilm, mínima formación de subproductos derivados del desinfectante, y mínima toxicidad directa. Teniendo en cuenta estos aspectos, se adjunta la siguiente tabla: En esta tabla se comparan las tres principales alternativas para el mantenimiento de un residual desde los criterios antes señalados: 1- Estabilidad del residual. 2- Toxicidad del residual. 3- Control del biofilm. 4- Formación de subproductos. De las tres sustancias indicadas en la tabla, el cloro libre es el más utilizado, pero su comportamiento en cuanto a la formación de subproductos, limitará su empleo en aguas con muy pocos precursores. Por este hecho, las cloraminas (mas concretamente la monocloramina) es una alternativa, siendo su principal desventaja la nitrificación en el sistema de distribución por diversos factores, como por ejemplo altas temperaturas, puntos muertos o retenciones excesivas donde el residual desaparece y el biofilm se elimina con dificultad, y el exceso de amoniaco. Las cloraminas no suelen emplearse como desinfectante primario. Se suelen emplear cloraminas como desinfección secundaria después de aplicar la técnica de cloración libre, dentro del proceso de tratamiento hasta la etapa de filtración. Tras la filtración, se aplica amoniaco, y mas cloro (si fuera necesario) para lograr la concentración de cloro combinado deseado. Es decir, que después de destruir las cloraminas que pudieran haberse formado con el amoniaco o sustancias nitrogenadas procedentes del agua bruta y satisfacer la demanda de cloro libre residual, quede aun cloro libre residual que será transformado en cloro combinado al incorporar expresamente amoniaco. Página 5 de 15 Julio 2011

6 Esta desinfección secundaria, suele ser la fase final en los procesos de tratamientos que la realizan. Para verlo de una manera mas clara, se adjunta un esquema de un proceso de tratamiento. Página 6 de 15 Julio 2011

7 2- CLORAMINAS: a- Qué son? Las cloraminas, fueron identificadas como desinfectante al comprobarse que la desinfección con cloro tenía lugar en dos fases: - Fase Inicial: El cloro al oxidar una serie de sustancias presentes en el agua, desaparece rápidamente. - Segunda fase: Cuando en el agua hay presente amoniaco, la acción bactericida continua, (a pesar de que el cloro libre hubiera desaparecido) debido a la acción de las cloraminas formadas. La cloraminación (combinación de amoniaco con cloro), tuvo como objetivo, aportar al agua un desinfectante residual más persistente, a la vez que evitar ciertos sabores que generan algunos compuestos clorados. Recientemente, se extiende su empleo, debido una función importante, y que no forman (o al menos lo hacen en menor medida) productos derivados de la desinfección, especialmente los THM s, lo que ha hecho aumentar el interés por su utilización. Las cloraminas, al ser mas estables que el cloro libre, resultan muy efectivas para controlar el recrecimiento bacteriano en la red y las corrosiones de la misma. Cuando el agua objeto de la cloración contiene amoniaco u otros compuestos amoniacales, se forman las cloraminas. En muchos casos, como a hemos dicho anteriormente, se incorpora en la práctica de la desinfección final, amoniaco, para expresamente crear cloraminas. b- Qué tipos hay? Las reacciones de formación de las cloraminas son las siguientes: NH 3 + ClOH ClNH 2 + H 2 O (monocloramina). ClNH 2 + ClOH Cl 2 NH + H 2 O (dicloramina). Cl 2 NH + ClOH Cl 3 N + H 2 O (tricloramina). Página 7 de 15 Julio 2011

8 c- Bajo que condiciones se forman? La formación de una u otra cloramina, se ve regulada por el ph del agua, la temperatura y la relación cloro/amoniaco. - ph A continuación, se muestra la relación entre los diferentes tipos de cloraminas en función del ph: Se observa que a ph superior a 7, predominará la formación de monocloraminas (su rapidez de formación será máxima a ph = 8.3). La dicloramina tiene una tasa de formación mas baja que la monocloramina, alcanza su máximo a ph próximo a 4.5. Sin embargo, a ph inferiores a 4, solo habrá tricloraminas o tricloruro de nitrógeno. Es por eso, que a los ph normales del tratamiento de un agua (entre 7-8) la principal cloramina que se encuentra es la monocloramina, de hecho el Canal de Isabel II utiliza Monocloraminas generales en las Estaciones de Tratamiento. (Ver documento adjunto). Página 8 de 15 Julio 2011

9 - Relación Cl 2 / NH 3 La siguiente grafica se puede explicar de la siguiente manera: Cuando la relación entre el Cl 2 /NH 3 = 1 se están comenzando a formar cloraminas, debido a la adicción de amoniaco. Cuando la relación entre el Cl 2 /NH 3 > 1 sobra Cl2, por lo que lo que nos encontramos son cloraminas en forma de monocloraminas, dicloraminas y tricloraminas. Aquí la relación Cl 2 /NH 3 = 2, por lo que el cloro ya no puede reaccionar con mas amoniaco, y al seguir añadiendo Cloro, lo que pasa es que va aumentando el cloro libre residual. Página 9 de 15 Julio 2011

10 Por tanto, la relación entra la concentración de cloro y amoniaco, afecta a la formación de una u otra cloramina tal y como se observa en la siguiente figura: Las monocloraminas, originarán menos sabor y olor que las dicloraminas, y las tricloraminas. Concentraciones de dicloraminas en torno a 0.5 mg/l pueden ocasionar problemas de olores y sabores, y en el caso de tricloraminas, con concentraciones mas bajas (0.02 mg/l). Ambas cloraminas, en estas concentraciones, forman el clásico olor a interior de piscinas. - Temperatura (ºC) Las cloraminas, consiguen su eficacia bactericida en menor tiempo, si la temperatura del agua es alta. El problema, es que al ser la temperatura elevada, tarda menos tiempo en desaparecer, es decir, se degrada más rápidamente. d- Por qué son bactericidas? La capacidad bactericida de las cloraminas, es atribuida al grado de hidrólisis de estas, es decir, la pequeña constante de hidrólisis de las cloraminas, forma una pequeña cantidad de acido hipocloroso, pero a medida que este acido hipocloroso desaparece, sigue produciéndose hidrólisis de la cloramina, formándose mas acido hipocloroso y amoniaco. ClNH 2 + H 2 O ClOH + NH 3 Como se dijo anteriormente, el uso de las cloraminas, tiene como principal objeto la reducción de los THM s. En Europa, no está muy extendido su empleo. Además, los abastecimientos que cambian e implantan la cloraminación como cloro residual en la red, deben de realizar campañas de comunicación de este cambio. Madrid tiene uno de los principales sistemas de abastecimiento que usan como desinfectante secundario las cloraminas. Página 10 de 15 Julio 2011

11 El límite permitido es de 2 mg/l (que además coincide con el máximo permitido de cloro residual combinado). La concentración a aplicar será especifica de cada abastecimiento, dependiendo de los factores anteriormente citados (tiempo de retención, extensión del abastecimiento y la evolución y demanda del propio sistema). A continuación se representa un esquema de una instalación de dosificación de cloro y amoniaco para la formación de cloraminas: e- Características de las monocloraminas. - Evolución de las cloraminas en el tiempo y con el ph: La temperatura, como en otros desinfectantes, contribuye a una mayor eficacia de las cloraminas como desinfectante. La eficacia disminuye al aumentar el ph y bajar la temperatura. Página 11 de 15 Julio 2011

12 A medida que la cloramina se va degradando, mayor es la concentración de amoniaco libre que podrá ser transformado en nitritos por la presencia de bacterias nitrificantes. En caso de que toda la cloramina hidrolizada, quedara en forma de amoniaco, se podría rectorar, formándose nuevamente cloraminas (esta situación prácticamente no se da). La velocidad de disociación de las cloraminas, esta influenciada también por el ph, asi por ejemplo, en el rango de ph de 7 a 9 la monocloramina, se disocia en mayor grado en amoniaco al ph mas bajo y pueden por lo tanto aparecer fenómenos de nitrificación. La siguiente tabla, muestra esta evolución: El tiempo que transcurre en la degradación de la monocloramina, es suficientemente largo por lo que puede mantenerse una concentración aceptable en puntos alejados de la red. Página 12 de 15 Julio 2011

13 - Poder oxidante y desinfectante de las cloraminas. El cloro residual combinado (las cloraminas) tiene menos poder oxidante y bactericida que el cloro residual libre. Aun así, las cloraminas son más estables que el cloro libre a igual tiempo de contacto, ph y temperatura. Es por eso que el cloro residual combinado que se encuentre en el agua formando cloraminas, es más persistente. Por este motivo se comenzó a utilizar (añadiendo expresamente amoniaco) en redes de distribución extensas, como fase final del tratamiento tras haber estado un cierto tiempo el agua en contacto con cloro libre. El poder bactericida de las cloraminas, en relación a los otros desinfectantes frecuentemente utilizados tendría el siguiente orden: Ozono > Dióxido de cloro > Cloro libre > Cloraminas Sin embargo, en cuanto a la estabilidad y persistencia en la red de distribución, el orden seria distinto: Cloraminas > Dióxido de cloro > Cloro libre > Ozono Muchas investigaciones, han demostrado el buen comportamiento de las cloraminas en el control de sabores y olores, control de recrecimiento microbiológico en la red, mayor estabilidad y mantenimiento de desinfectante residual a lo largo de la red de abastecimiento que el cloro libre y menor cantidad de THM s formados. Las cloraminas, al ser menos oxidantes y desinfectantes que el cloro libre, no son muy indicadas para emplearlas como desinfectante primario. En resumen, las cloraminas solo deben emplearse como desinfectante secundario y como protección contra recrecimientos microbiológicos. - Las cloraminas y la formación de THM s en la red: Una vez el agua ha salido de una planta de tratamiento con una determinada concentración de cloro libre residual, este cloro, tiene la capacidad de seguir formando subproductos, tales como los THM s, debido a que en la propia red y en su biofilm, puede encontrarse materia organica capaz de formar estos subproductos. Si el cloro residual que llega a la red es en forma de cloraminas, la formación de estos THM s se verá minimizada. La siguiente tabla, muestra las diferencias entre dos aguas tratadas a la salidas ETAP, una de ellas tratada con cloro libre, y otras tratadas con cloro combinado: Página 13 de 15 Julio 2011

14 f- Información toxicológica. La información sobre el metabolismo de las cloraminas es muy limitada. Estas son eliminadas en cierta cantidad por la orina. Se han realizado experimentos con ratas, ratones y monos, sometiéndoles durante 6 semanas a beber agua con dosis de cloraminas de 100 mg/l, sin mostrar defectos hematológicos adversos. En Estados Unidos, por ejemplo, se realizaron también experimentos con ratas y ratones durante 91 días con cloraminas a las siguientes dosis: 0.25, 0.50, 100, 200 y 400 mg/l. Sólo se encontraron daños en el hígado de las ratas cuando las dosis eran de 200 y 400 mg/l, y en los ratones para dosis de 100, 200 y 400 mg/l, (en estos también se apreciaron alteraciones citológicas, cosa que en las ratas no). Los organismos internacionales sobre la calidad del agua potable, no asocian efectos en la salud ni a corto ni a largo plazo. Hasta la fecha, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) no ha evaluado formalmente la potencial carcinogenicidad de las cloraminas. 3- CONCLUSIONES: El empleo de cloraminas como desinfectante alternativo al cloro es una alternativa aplicada en numerosos abastecimientos. Una práctica a tener en cuenta, es el emplear las cloraminas como desinfectante secundario para tener una concentración estable y constante en toda la red de abastecimiento, y así evitar recloraciones y evitar el incremento de THM s como subproductos de la coloración. Hay que tener en cuenta, que se utilizan como desinfectante secundario, es decir, que previamente, se a tenido que hacer un tratamiento con un desinfectante inicial (cloro, dióxido de cloro, ozono) y esto es debido a su bajo poder oxidante y bactericida. En Europa, el Canal de Isabel II es posiblemente el mayor abastecimiento europeo que emplea cloraminas, haciéndolo desde hace ya 35 años. Página 14 de 15 Julio 2011

15 - Ventajas. Ventajas y desventajas del uso de cloraminas Desinfección del agua con cloro y cloraminas 1º No reaccionan con los compuestos orgánicos, como lo hace el cloro libre en la formación de THM s. 2º Son muy efectivas en el control del biofilm, dada su alta capacidad de penetran en este. 3º Al no reaccionar con los compuestos orgánicos como lo hace el cloro, se disminuyen olores y sabores que el cloro libre puede llegar a potenciar. 4º Son más estables y de más duración, con lo cual proporciona una mejor protección contra el recrecimiento bacteriano en grandes abastecimientos y en redes con zonas de excesivo tiempo de retención. 5º Su preparación es fácil. 6º Evita la instalación de estaciones de recloración en abastecimientos extensos. - Desventajas. 1º Nitrificación. Es uno de los principales problemas que pueden presentarse al emplear cloraminas, ya que el amoniaco en exceso a veces generado en la descomposición de esta en puntos muertos de la red o en lugares de excesivo tiempo de retención, actúa como nutriente de bacterias nitrificantes, las cuales convierten el amoniaco en nitritos y nitratos con efectos adversos para la salud. 2º Las condiciones más favorables para la nitrificación se darán cuando la relación cloro/amoniaco se baja, el ph sea bajo, exista amoniaco libre, los contenidos de sustancias orgánicas en el agua y los tiempos de retención en la red sean altos, las temperaturas del agua elevadas (mayores de 20ºC), ausencia de luz y oxigeno, biofilm y sedimentos. 3º Menor capacidad de oxidación y desinfección. 4º Hay que prepararlas in situ. 5º Si se emplean las aguas que contienen cloraminas en tratamientos de diálisis en enfermos renales, hay que eliminarlas previamente a su entrada a los equipos dializadores, mediante un filtro de carbón activo. No son eliminadas por procesos como hervir el agua, destilarla, osmosis inversa o dejar el agua en reposo varios días. Página 15 de 15 Julio 2011