UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO

UTESA

FACULTAD DE ARQUITECTURA

TRABAJO SOBRE

SANEAMIENTO DEL AGUA

ASIGNATURA

METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION

SANTIAGO, R.D.

11-12-2000

INDICE

Contenido Páginas

Introducción..................................................................................................... 1

Capítulo I

Características de las aguas ..............................................................................2

1.1 Características físicas..................................................................................2

Características químicas.................................................................... .........4

1.2.1 Características químicas....................................................................4

Características biológicas............................................................................9

Características típicas.................................................................................10

Capítulo II

Muestreo y análisis............................................................................................12

Muestreo.....................................................................................................12

Métodos analíticos......................................................................................13

Análisis automatizadores y monitoreo a distancia......................................17

Tipos de microorganismos..........................................................................17

Examen microbiológico...............................................................................20

Capítulo III

Tratamiento de las aguas ................................................................................... 21

Introducción a los procesos de tratamiento................................................. 21

Métodos de tratamiento................................................................................22

Procesos de tratamiento preliminar..............................................................22

Cribado y tamizado.......................................................................... 23

Microtamizado................................................................................. 23

Remoción de arena...........................................................................23

3.4 Clarificación ................................................................................................24

Teoría de la sedimentación............................................................. 24

Flotación......................................................................................... 25

3.5 Coagulación................................................................................................. 26

Suspensiones coloidales ................................................................26

Floculación....................................................................................... 26

Coagulación ..................................................................................... 27

3.6 Flujo en medios porosos.................................................................................. 27

3.7 Oxidación biológica aerobia........................................................................... 27

3.7.1 Principios de la oxidación biológica............................................... . 28

3.8 Desinfección................................................................................................... 28

Tratamiento químico....................................................................................... 29

3.9.1 Precipitación química....................................................................... 29

Conclusión............................................................................................................... 30

Bibliografía.............................................................................................................. 31

INTRODUCCION

El AGUA es probablemente el recurso natural más importante del mundo, ya que sin ella no podría existir la vida y la industria no funcionaría. A diferencia de muchas otras materias primas, el agua no tiene sustituto en muchas aplicaciones.

El agua tiene un papel vital en el desarrollo de las comunidades, ya que es indispensable que su abastecimiento sea seguro para que una comunidad se establezca permanentemente. Sin embargo, los desechos líquidos y sólidos de una comunidad tienen un potencial considerable para contaminar el ambiente.

Debido a la importancia que tiene el agua en la vida el hombre, si está contaminada, se convierte en un medio con gran potencial para transmitir una amplia variedad de males y enfermedades.

En el mundo desarrollado las enfermedades hídricas son raras, lo que se debe esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y eliminación del agua residual.

Sin embargo, en el mundo en vías de desarrollo, tal vez cerca de 2,000 millones de personas no cuentan con abastecimiento de agua seguro y saneamiento adecuado. Como resultado, las enfermedades hídricas en estas áreas alcanzan cifras escalofriantes.

En el capítulo I hablaremos de las características de las aguas, en el capítulo II muestreo y análisis y en el capítulo III tratamiento de las aguas.

CAPITULO I

CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

Aunque normalmente se considera el agua como H2O, todas las aguas naturales contienen cantidades variables de otras sustancias en concentraciones que fluctúan de unos cuantos miligramos por litro en el agua lluvia a cerca de 35,000 mg/l en agua de mar. Por lo general, las aguas residuales contienen la mayoría de los constituyentes del agua suministrada más impurezas adicionales provenientes del proceso de desechos. Así, como el hombre produce cerca de 6 g de cloruro por día, con un consumo de agua de 200l/persona/día, el agua residual contiene 30 mg/l más cloruro que el agua doméstica. El agua residual cruda promedio contiene alrededor de 1000 mg/l de sólidos en solución y suspención, o sea que cerca del 99.9% es agua pura. Claro que medir simplemente el contenido total de sólidos de una muestra es insuficiente para especificar su condición ya que el agua subterránea, clara y brillante, puede tener el mismo contenido total de sólidos que el agua residual cruda. Para obtener una imagen verdadera de la naturaleza de una muestra en particular, es necesario cuantificar diferentes propiedades mediante un análisis que determine sus características físicas, químicas y biológicas.

1.1 Características físicas

Las propiedades son en muchos casos relativamente fáciles de medir, algunas de las cuales las puede observar un lego rápidamente:

1- Temperatura:

Básicamente importante por su efecto en otras propiedades, por ejemplo,

aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de los gases,

intensificación de sabores y olores, etc.

2- Sabor y olor:

debido a las impurezas disueltas, frecuentemente de naturaleza orgánica,

por ejemplo, fenoles y clorofenoles. Son propiedades subjetivas que son difíciles de

medir.

3- Color:

Aun el agua pura no es incolora; tiene un tinte azul verdoso pálido en grandes

volúmenes. Es necesario diferenciar entre el color verdadero debido al material en

solución y el color aparente debido a la materia suspendida. El color amarillo natural

en el agua de las cuencas altas se debe a ácidos orgánicos que no son de ninguna

manera dañinos y que son similares al ácido tánico de té. Sin embargo, los

consumidores rechazan el agua cuando está muy coloreada por razones estéticas y para

ciertos usos industriales pueden ser inaceptables, por ejemplo, la producción de papel

artístico de alta calidad.

4- Turbidez:

La presencia de sólidos coloidales le da al líquido una apariencia nebulosa que es poco

atractivas y puede ser dañina. La turbiedad en el agua pueden causarlas partículas de

arcilla y limo, descargas de agua residual, desechos industriales o a la presencia de

numerosos microorganismos.

5- Sólidos:

Estos pueden estar presentes en suspención, en solución o ambos y se dividen en

materia inorgánica. Los sólidos disueltos totales (SDT) se deben a materiales

solubles, mientras que los sólidos en suspensión (SS) son partículas discretas que se

pueden medir al filtrar una muestra a través de un papel fino. Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento estándar de sedimentación con el uso de un cilindro de un 1 litro. Se determinan como la diferencia entre los SS en el sobrenadante y los SS originales en la muestra.

Conductividad eléctrica:

La conductividad de una solución depende de la cantidad de sales disueltas presentes y para soluciones diluidas es aproximadamente proporcional al contenido de SDT:

K= conductividad (S/m)

SDT (mg/1)

Si se conoce el valor apropiado de K para un agua en particular, la medición de la conductividad da una da una indicación rápida del contenido de SDT.

1.2 Características químicas

Peso atómico:

Peso de un átomo de un elemento referido a un estándar que se basa en el isótopo de carbón C12.

Peso Molecular:

Peso atómico total de todos los átomos en una molécula.

Solución molar:

Solución que contiene el peso molecular gramo de la sustancia de 1 litro de solución.

Valencia:

Propiedad de un elemento que se mide por el número de átomos de hidrógeno que un átomo del elemento puede retener en combinación o desplazar.

Solución normal (N):

Solución que contiene el peso equivalente gramo de la sustancia en 1 litro de solución

1.2.1 Características químicas:

pH

La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la escala de pH, que en realidad mide la concentración de iones de hidrógenos presentes.

El agua está ionizada débilmente:

H2O ðH+ + OH-

Ya que sólo cerca de 10-7 concentraciones molares de [H+] Y [OH-] están presentes en equilibrio, [H2O] se puede tomar como la unidad. Así

[H+] [OH-] = K = 1.0.1 × 10-14 moles/1 a 25ðð

Ya que esta relación debe satisfacer para todas las soluciones acuosas diluidas, la naturaleza ácida o básica de la solución se puede especificar por un parámetro: la concentración de los iones hidrógeno. Esto se expresa convenientemente por la función pH

PH = -log 10 [ H+] = log10 1/ [H+]

Lo que resulta en una escala de 0 a 14 con 7 como neutralidad, siendo ácido por debajo de 7 y siendo alcalino por arriba de 7.

El pH controla muchas reacciones químicas y la actividad biológica normalmente se restringe a una escala bastante estrecha de pH entre 6 y 8. Las aguas muy ácidas o muy alcalinas son indeseables debido a que son corrosivas presentan dificultades en su tratamiento.

Potencial de óxido-reducción (potencial O-R):

En cualquier sistema que experimenta oxidación hay un cambio continuo en la relación entre los materiales en la forma reducida y aquellos en la forma oxidada. En tal situación, el potencial requerido para transferir electrones del oxidante al reductor se aproxima por:

Potencial O-R= Eð- 0.059 log10 [productos]

z [reativos]

donde Eð= potencial de oxidación de la celda referido a H = 0,

z = número de electrodos en la reacción.

La experiencia operacional ha establecido valores de potencial O-R que probablemente son críticos para diferentes reacciones de oxidación. Las reacciones aerobias muestran valores de potencial O-R> + 200mV, las reacciones anaerobias ocurren por debajo de +50 mV.

3- Alcalinidad:

Es debida a la presencia de bicarbonato HCO-3, carbonato CO=3, o hidróxido OH-. La mayoría de la alcalinidad natural en las aguas la causa el HCO-3 producido por la acción del agua subterránea en piedra caliza o yeso:

CaCo3 + H2O + CO2 ð Ca(HCO3)2

Insoluble de las soluble

bacterias

del suelo

La alcalinidad es útil en el agua natural y en las aguas residuales porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios en el pH. Normalmente se divide en la alcalinidad cáustica, por encima del pH 8.2 y alcalinidad total, por encima del pH 4.5. La alcalinidad puede existir hasta un pH de 4.5 debido a que el HCO-3 no se neutraliza completamente sino hasta que se alcanza este pH. La cantidad de alcalinidad presente se expresa en términos de CaCO3.

Acidez:

La mayoría de las aguas naturales y el agua residual doméstica son amortiguadores por un

Sistema de CO2 - HCO-3. El ácido carbónico H2CO3 no se neutraliza totalmente hasta un pH de 8.2 y no disminuye por el pH por debajo de 4.5. Así la acidez del CO2 ocurre dentro de un pH de 8.2 a 4.5, la acidez mineral (casi siempre debida a desechos industriales) se presenta por debajo de un pH de 4.5. La acidez se expresa en términos de CaCo3.

Dureza:

Es la propiedad del agua que evita que el jabón haga espuma y produce incrustaciones en los sistemas de agua caliente. Es debida principalmente a los iones metálicos Ca++ Mg++ aunque también son responsables Fe++ y Sr++. Los metales normalmente están asociados con HCO-3, SO=4, Cl- y NO-3. No representa riesgo para la salud, pero las desventajas económicas del agua dura incluyen un consumo excesivo de jabón y costos más altos de combustible. La dureza se expresa en términos de CaCO3 y se divide en dos formas:

Dureza de carbono-metales asociados con HCO-3.

Dureza de no carbono-metales asociados con SO=4 , Cl- , NO3.

Dureza total-alcalinadad = dureza de no carbonato.

Si están presentes altas concentraciones de sales de Na y K, la dureza de no carbonato puede ser negativa ya que tales sales pueden formar alcalinidad sin producir dureza.

Oxígeno disuelto (OD):

El oxígeno es un elemento muy importante en el control de la calidad del agua. Su presencia es esencial para mantener las formas superiores de vida biológica y el efecto de una descarga de desechos en un río se determina principalmente por el balance de oxígeno del sistema. Desafortunadamente el oxígeno es poco soluble en agua.

Temperatura, °C 0 10 20 30

OD, mg/1 14.6 11.3 9.1 7.6

Las aguas superficiales limpias normalmente están saturadas con OD, pero la demanda de oxígeno de los desechos orgánicos puede consumirlo rápidamente. Los peces de pesca deportiva requieren mucho menos 5 mg/1 de OD. Las aguas saturadas de oxígeno tienen un sabor agradable y las aguas con deficiencia de OD son insípidas; por esa razón, si es necesario, las aguas para beber se aerean para que tengan un OD máximo. En el agua para alimentar calentadores, el OD es indeseable porque su presencia aumenta el riesgo de corrosión.

7-Demanda de oxígeno

Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables, relativamente inertes, tales como CO2, NO3, H2O. La indicación del contenido orgánico de un desecho se obtiene al medir la cantidad de oxígeno que se requiere para su estabilización.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

Mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos mientras descomponen la materia orgánica.

Valor de permanganato (VP)

Es la oxidación química que usa una solución de permanganato de potasio.

Demanda química de oxígeno (DQO)

La oxidación química que usa una mezcla hirviendo de dicromato de potasio y ácido sulfúrico concentrado.

La magnitud de los resultados obtenidos normalmente es VP< DBO < DQO.

La materia orgánica se puede determinar directamente como carbón orgánico total (COT) por técnicas especializadas de combustión o por la capacidad de absorción de rayos UV de la muestra. En ambos casos hay en el mercado instrumentos comerciales, pero su compra operación es relativamente cara y costosa.

Debido a la importancia de las consideraciones de la demanda de oxígeno.

8- Nitrógeno

Es un elemento importante ya que las reacciones biológicas sólo pueden efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Existe en cuatro formas principales por lo que toca a la ingeniería de salud pública:

a) Nitrógeno orgánico

Nitrógeno en la forma de proteínas, amino ácidos y urea.

b) Nitrógeno amoniacal

Nitrógeno como sales de amoníaco; por ejemplo, (NH4)2CO3, o como amoníaco libre.

c) Nitrógeno de nitritos

Una etapa intermedia de oxidación que normalmente no se presenta en grandes cantidades.

Nitrógeno de nitratos

Producto final de la oxidación del nitrógeno.

La oxidación de los compuestos de nitrógeno se llama nitrificación.

La reducción del nitrógeno, que se llama desnitrificación, puede invertir el proceso.

Las concentraciones relativas de las diferentes formas de nitrógeno dan una indicación útil de la naturaleza y concentración de la muestra. Antes de disponer el análisis bacteriólogo, se evaluaba la calidad de las aguas con relación a su contenido de nitrógeno.

Cloruro

Responsable por el sabor salobre en el agua, es un indicador de posible contaminación del agua residual debido al contenido de cloruro de la orina. El sabor del Cl- se hace presente con un 250-500 mg/1, aunque una concentración hasta de 1500 mg/1 es poco probable que sea dañina para consumidores en un buen estado de salud.

Las aguas residuales industriales tienen también otras características químicas especializadas que se pueden evaluar, por ejemplo, la presencia de metales tóxicos, cianuro, fenoles, grasas y aceites, etc.

1.3 Características biológicas

Casi todos los desechos orgánicos contienen grandes cantidades de microorganismos; el agua residual contiene más de 106/ml, pero los números reales presentes regularmente no se determinan. Después del tratamiento convencional del agua el efluente todavía contiene una gran cantidad de microorganismos, al igual que muchas aguas superficiales naturales.

1.4 Características típicas

Como las aguas naturales y las residuales varían mucho en sus características, no es realmente posible dar detalles de lo que se podría llamar características normales de una muestra dada.

En el caso de agua para uso potable, es práctica común evaluar su calidad en relación con lineamiento o normas específicos. Como la formulación de tales valores guía requiere la evaluación crítica de las propiedades de los diferentes constituyentes, es común que se les clasifique en cinco grupos.

Parámetros organolépticos: sus características son rápidamente aparentes para el consumidor pero normalmente tienen poco significado para la salud, por ejemplo, color, turbiedad, sabor y olor.

Parámetros naturales físico-químicos: son las características normales del agua, tal como pH, conductividad, sólidos totales, alcalinidad, dureza, oxígeno disuelto, etc. Algunos de estos parámetros tienen importancia para la salud, pero, en general, el objetivo de establecer alineamientos es evitar el abastecimiento de aguas excesivamente desbalanceadas.

Sustancias indeseables en cantidades excesivas: este grupo incluye una amplia variedad de sustancias; algunas son directamente dañinas en altas concentraciones, otras causan problemas de sabor y olor y otras pueden no ser problemáticas por ellas mismas, pero son indicadores de contaminación. En este grupo se incluyen las siguientes sustancias: nitrato, fluoruro, fenol, hierro y manganeso, cloruro, COT.

Sustancias tóxicas: una amplia variedad de sustancias químicas inorgánicas y orgánicas pueden tener efectos tóxicos sobre el hombre; la severidad de los efectos de un material particular depende de la dosis recibida, el período de exposición y otros factores ambientales. La principal preocupación en el abastecimiento del agua es el efecto a largo plazo de la exposición crónica a niveles bajos de compuestos tóxicos. Fijar las concentraciones permisibles en estas circunstancias es difícil, de modo que se emplean factores de seguridad altos. Entre los constituyentes que se pueden considerar tóxicos están el arsénico, el cianuro, el plomo, el mercurio, los hidrocarburos aromáticos policíclicos, los compuestos organoclorados y los organofosforados.

Parámetros microbiológicos: en la mayor parte del mundo estos parámetros son con mucho los más importantes para determinar la calidad del agua para uso potable. Las normas de calidad microbiológica se basan esencialmente en la necesidad de asegurar la ausencia de bacterias indicadoras de contaminación por desechos humanos.

CAPITULO II

ANALISIS DE LAS AGUAS

Muestreo y análisis

Para obtener un indicio verdadero de la naturaleza de un natural o residual es necesario asegurarse primero que la muestra es representativa de la fuente. Satisfecho este requisito, se deben desarrollar los análisis apropiados mediante procedimientos estándar y comparar los resultados obtenidos por análisis diferentes.

2.1. Muestreo

La recolección de una muestra representativa de una fuente de calidad uniforme representa pocos problemas y la toma de una sola muestra es suficiente. También lo es una muestra aislada si el propósito es simplemente saber de inmediato si se ha cumplido con ciertos límites particulares. Sin embargo, la mayoría de las aguas crudas y aguas residuales son muy variables tanto en calidad como en cantidad y es poco probable que con una muestra aleatoria se obtenga un cuadro significativo de la naturaleza de la fuente. Para evaluar exactamente esta situación, es necesario obtener una muestra compuesta por todas muestras

Tomadas a intervalos conocidos durante cierto período y en proporción al caudal. Al mezclar las muestras compuesta integrada.

Se aplican procedimientos similares cuando se toman muestras de corrientes y ríos; con secciones de canales muy grandes es necesario tomar muestras en varios puntos de la sección transversal y a diferentes profundidades. Existen diferentes equipos automáticos para tomar muestras compuestas que operan por tiempo o en proporción al caudal. El muestreo de descargas de agua residual de origen industrial puede ser aún más difícil, ya que con frecuencia éstas son intermitentes. En estas circunstancias es importante que se entienda completamente el tipo de las operaciones que producen la descarga para poder implementar un programa de muestreo apropiado y obtener así la imagen real de la descarga.

Cuando se diseña un programa de muestreo es fundamental que se especifique claramente su objetivo, por ejemplo, estimar concentraciones máximas o medias, detectar cambios o tendencias, estimar percentiles o tener una base para cobrar por cada efluente industrial. También se debe especificar el margen de error tolerable; y también es necesario tener en mente los recursos disponibles para la toma de muestras y el análisis, pues se puede encontrar que reducir la incertidumbre de los resultados podría requerir doble número de muestras, lo que haría costoso el análisis. Por tanto, es importante establecer un nivel práctico y aceptable en las variaciones de los resultados en base al uso deseado. En forma ideal, todos los análisis de deben practicar inmediatamente después de la recolección de las muestras, ya que entre más rápido se hagan, es más probable que los resultados sean una evaluación verdadera de la naturaleza real del líquido in situ. Con características inestables, como gases disueltos, constituyentes oxidables o reducibles, etc., los análisis deben efectuarse en el campo o tratar la muestra adecuadamente para fijar las concentraciones de los materiales inestables. Los cambios que ocurren al transcurrir el tiempo en la composición de una muestra se puede retardar si se almacena a baja temperatura (4ðC); también se recomienda no exponerla a la luz. Entre más contaminada esté el agua es más corto el tiempo disponible para la toma de muestras y el análisis si se quieren evitar errores significativos.

2.2 Métodos analíticos

Los análisis comunes en el campo del control de la calidad del agua se basan en principales analíticos relativamente directos. Los análisis cuantitativos se pueden efectuar por métodos gravimétricos, volumétricos o colorimétricos. Es posible determinar la presencia de ciertos constituyentes por medio de diferentes tipos de electrodos y hay creciente interés en el desarrollo de técnicas automatizadas para el monitoreo continuo de parámetros importantes. Se debe reconocer que, debido a las bajas concentraciones de las impurezas en el agua, el trabajo de laboratorio frecuentemente es de naturaleza microanalítica, lo que requiere del uso de procedimientos cuidadosos.

Análisis gravimétricos

Esta forma de análisis depende del peso de los sólidos que se obtienen de la muestra de evaporación, filtración o precipitación. Debido a que dichos pesos son pequeños, se requiere de una balanza con divisiones de 0.0001g y un horno de secado para eliminar toda la humedad de la muestra. Por todo esto, los análisis gravimétricos no son adecuados para efectuar pruebas en el lugar. Se aplican para determinar:

1.- Sólidos totales y volátiles. Un volumen conocido de la muestra se vacía en un platillo de níquel previamente pesada; se evapora en baño de maría, 103ðC para aguas residuales y a 180ðC para aguas potables, y se pesa nuevamente. El aumento en el peso se debe a los sólidos totales. La pérdida de peso al calcinar a 500ðC representa los sólidos volátiles.

2.- Sólidos en suspensión (SS). Se filtra al vacío un volumen conocido de la muestra con un papel de fibra de vidrio previamente pesado (Whatman GF/C) con un tamaño de poro de 0.45µm. Los SS totales están dados por el aumento del peso después del secado a 103ðC y los SS volátiles son aquellos que se pierden al calcinar a 500°C.

3.- Sulfato. Las concentraciones de sulfato mayores de 10 mg/l se determinan al precipitar sulfato de bario después de agregar cloruro de bario. El precipitado se filtra de la muestra, se seca y se pesa.

Análisis Volumétricos

Muchas determinaciones en el control de la calidad del agua se pueden desarrollar con rapidez y exactitud por medio de análisis volumétricos; una técnica que depende de la medición de volúmenes de un reactivo es relativamente simple:

1. - Una pipeta para transferir un volumen conocido de la muestra a un matraz cónico.

2. - Una solución estándar del reactivo apropiado. Es conveniente hacer la concentración de la solución estándar para que 1 ml de la solución sea químicamente equivalente a 1 mg de la substancia bajo análisis.

3. - Un indicador para saber cuándo se alcanza al punto final de la reacción.

Los indicadores, pueden ser electrométricos, de ácido-base, de precipitación, de adsorción y de oxidación-reducción.

4. - una bureta graduada para la medición exacta del volumen de solución estándar necesario para alcanzar el punto final.

Los análisis volumétricos son útiles para establecer las formas particulares de alcalinidad presentes en una muestra. La neutralización del OH- es total en un pH de 8.2 y se completa al alcanzar un pH de 4.5:

Análisis colorimétricos

Cuando se trata de bajas concentraciones, los análisis colorimétricos son muy apropiados y hay muchas determinaciones en el control de la calidad del agua que se pueden efectuar rápida y fácilmente con esta forma de análisis.

Para ser cuantitativo, un método colorimétrico debe basarse en la formación de un producto completamente soluble con un color estable. La solución coloreada debe reaccionar en la forma indicada en las siguientes leyes:

(i) Ley de Beer:

La absorción de la luz aumenta exponencialmente con la concentración de la solución

absorbente.

(ii) Ley de Lambert:

La absorción de la luz aumenta exponencialmente con la longitud de la trayectoria de

la luz.

El color producido se pude medir por varios métodos:

1.- Métodos visuales

Tubos de comparación (tubos Nessler). Se prepara un juego estándar de concentraciones de la substancia bajo análisis y se agrega el reactivo apropiado.

Discos de color. En este caso los estándares están en la forma de una serie de filtros de vidrio debidamente coloreados a través de los cuales se observa una profundidad estándar de agua destilada o muestra sin los reactivos que forman el color.

2. - Métodos instrumentales

Absorciómetro o colorímetro. Este tipo de instrumento consiste de una celda de vidrio para la muestra a través de la cual pasa un rayo de luz de una lámpara de bajo voltaje. La luz que atraviesa la muestra la detecta una celda fotoeléctrica que registra la intensidad en una carátula calibrada.

La sensibilidad se aumenta con el uso de celdas de muestra de diferente longitud.

Espectrofotómetro. Este es un instrumento más exacto, con el mismo principio básico que un absorciómetro pero con el empleo de un prisma para proyectar luz monocromática de la longitud de onda deseada. De esta manera se aumenta la sensibilidad y con los instrumentos más caros se pueden llevar a cabo mediciones en las regiones del infrarrojo y ultravideo así como en las bandas de onda de la luz visible.

Técnica de electrodo

La medición de parámetros tales como pH y el potencial de O-R por medio de electrodos esta bien establecida. El pH se mide por el potencial que produce un electrodo de vidrio, que tiene un área especial sensible, y un electrolito ácido; dicho electrodo se usa junto con un electrodo de calomel como referencia. La señal de salida del electrodo de pH se alimenta a un amplificador y luego a un medidor o pantalla digital. Existe un amplio surtido de electrodos de pH, incluyendo unidades combinadas de vidrio y de referencia.

Los avances más recientes en la tecnología de electrodos han dado como resultado una gran variedad de electrodos, algunos de los cuales son muy útiles en el control de la calidad del agua. Probablemente el más útil de todos es el nuevo electrodo de oxígeno. Con estos electrodos se efectúan hasta concentraciones muy bajas, pero son relativamente costosos y en algunos casos su estabilidad no es muy alta.

2.3 Análisis automatizados y monitoreo a distancia

En laboratorios donde se analiza un número de muestras, se emplean técnicas automatizadas para acelerar el trabajo y reducir los requerimientos de personal. Muchas de estas técnicas analíticas automatizadas utilizan determinaciones colorométricas con un muestreador automático que alimenta a un espectrofotómetro muestras discretas con los niveles necesarios de adición del reactivo y desarrollo del color; los datos de salida se pueden registrar en gráficas continuas o en formato compatible con computadora.

Microbiología acuática y ecología

2.4 Tipos de microorganismos

Por definición, los microorganismos son aquellos organismos muy pequeños para ser vistos a simple vista; un gran número de organismos acuáticos queda comprendidos en esta categoría. Los organismos superiores se identifican como plantas o animales: las plantas tienen paredes celulares rígidas, son fotosintéticas y no se mueven en forma independiente. Los animales tienen paredes celulares flexibles, requieren alimento orgánico y tienen movimiento independiente. La aplicación de tal diferenciación para identificar a los microorganismos es difícil debido a las estructuras simples de sus células y se ha convenido denominar los protistas. Los protistas se dividen a su vez en dos tipos:

Procariotas, estructuras celulares simples y pequeñas, con núcleos rudimentario y cromosoma. Su reproducción normalmente es por fisión binaria. Se incluyen en este grupo las bacterias, los actinomicetos y las algas verdes-azules.

Eucariotas, células más grandes con una estructura más compleja y que contienen varios cromosomas. Su reproducción puede ser asexual o sexual y tienen ciclos de vida muy complejos. Se incluyen en esta clase los hongos, la mayoría de las algas y los protozoarios.

Hay un grupo adicional de microorganismos: los virus, que no pueden ser clasificados en ninguna de las dos clases anteriores y, por tanto, se consideran por separado.

Virus

Los virus son la forma más simple de organismo, su tamaño varía entre 0.01 a 0.3 um y consisten esencialmente de ácido nucleico y proteína. Todos son parasitarios y no pueden crecer fuera de otro organismo vivo. Son altamente específicos tanto en lo que concierne al organismo huésped como a la enfermedad que producen. Las enfermedades virales humana incluyen a la viruela, la hepatitis infecciosa, la fiebre amarilla, la poliomielitis y diferentes enfermedades gastrointestinales. Para identificación y enumeración de los virus se requieren aparatos y técnicas especiales. Los efluentes de agua residual normalmente contienen grandes cantidades de virus, que también están presentes en la mayoría de las aguas superficiales sujetas a contaminación. Por su tamaño, la remoción de virus por procesos convencionales de tratamiento de agua no es segura, aunque los procesos normales de desinfección generalmente los dejan inactivos.

Bacterias

Son las unidades básicas de vida de las plantas; son organismos unicelulares que pueden vivir como autótrofos o como heterótrofos y aprovechar el alimento soluble. Su reproducción es por fisión binaria y el tiempo de generación en algunas especies puede tomar sólo 20 minutos, en condiciones favorables.

Las bacterias desempeñan una función vital en los procesos naturales de estabilización y se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales orgánicas. Se conocen alrededor de 1500 especies que se clasifican en relación con criterios tales como; tamaño, forma y agrupamiento de células; característica de la colonia, reacción a la tinción, requerimiento; movilidad, reacciones químicas específicas, etc. Se encuentran formas aerobias, anaerobias y facultativas.

Hongos

Son plantas multicelulares aerobias que toleran más las condiciones ácidas y ambientes más secos que las bacterias. Aprovechan casi las mismas fuentes de alimento que las bacterias en las quimiosintéticas pero, como su contenido de proteína es inferior al de las bacterias, sus requerimientos de nitrógeno son menores. Forman menos materia celular que las bacterias a partir de la misma cantidad de alimento. Son capaces de degradar compuestos altamente complejos y algunos son patógenos para el hombre. Tienen cuatro o cinco fases de vida distintas con reproducción por esporas asexuales o semillas. Existen en las aguas contaminadas y en las plantas de tratamiento biológico. Pueden ser responsables de ciertos sabores y olores un los abastecimientos de agua.

Actinomicetos

Tienen una apariencia a la de los hongos, con una estructura filamentosa pero con un tamaño de célula casi igual al de las bacterias. Existen en número considerable tanto en el suelo como en el agua y casi todos son aerobios. Su importancia en el agua se debe principalmente a los problemas de sabor y olor que resultan de su presencia.

Algas

Son todas plantas fotosintéticas, en su mayoría multicelulares, aunque algunos tipos son unicelulares. Las formas de agua dulce utilizan el pigmento de la clorofila y actúan como las principales productoras de materia orgánica en un ambiente acuático. Las algas pueden ser verdes, verde-azules, cafés o amarillas. Existen como células solas que pueden ser inmóviles o móviles, si tienen flagelos, o bien con formas filamentosas multicelulares. Las algas y las bacterias que crecen en la misma solución, no compiten por el alimento, sino que tienen una relación simbiótica en la cual las algas utilizan los productos finales de la descomposición bacteriana de la materia orgánica para producir oxígeno y mantener un sistema aerobio.

La presencia de las algas en el agua es importante debido al efecto que tienen en los niveles de OD y porque algunas especies pueden causar severos problemas de sabor y olor.

Protozoarios

Son organismos unicelulares que se producen por fisión binaria. La mayoría son heterótrofos aerobios; su fuente principal de alimento son las células bacterianas. No pueden sintetizar todos los factores necesarios para su crecimiento y dependen de las bacterias para que se lo suministren. Abundan en el suelo y en el agua y pueden tener una participación importante en los procesos biológicos de tratamiento de desechos. Hay cuatro tipo de protozoarios: Sarcodarios, Mastigóforos, Ciliados, Esporozoarios.

2.5 Examen microbiológico

Debido a su tamaño, es imposible la observación de los microorganismos a simple vista y en el caso de los microorganismos más simples, sus características físicas no dan una identificación positiva. Con las bacterias es necesario utilizar sus propiedades bioquímicas o metabólicas para identificar cada una de las especies. Los especímenes vivos son difíciles de observar debido a que normalmente tienen poco color y, no se destacan en un fondo líquido. El estudio de especímenes vivos sólo es posible con un microscopio óptico y es necesario determinar si un organismo es móvil o no. En muchas ocasiones es necesario calcular la cantidad de microorganismos presentes en una muestra de agua. Con aquellos que son más grandes como las algas, la estimación y la identificación de las especies se logran con el uso de un portaobjetos especial con una depresión de volumen conocido. El número se obtiene al contar los microorganismos que estén en la cámara, con la ayuda de la retícula grabada en el portaobjetos.

La estimación del número de bacterias vivas en una muestra de agua se obtiene con un recuento de placa y con el uso de un medio nutriente de agar.

Una técnica alterna para análisis bacteriológico, que ahora es popular, usa papel filtro de membrana, con un tamaño de poro tal que separa las bacterias de la suspención. La identificación de una especie en particular de bacterias se hace de acuerdo al tipo de nutriente utilizado y la apariencia (color, brillo) de las colonias formadas. El recuento de las colonias proporciona la información cuantitativa necesaria.

CAPITULO III

TRATAMIENTO DE LAS AGUAS

3.1 Introducción a los procesos de tratamiento

Es evidente que el agua natural y las aguas residuales por lo general tienen composiciones altamente complejas y que normalmente se necesita modificar su composición para ajustarlas a un uso en particular. En consecuencia, se requiere una variedad de procesos de tratamiento para separar los diversos contaminantes que con seguridad se encontrarán.

Los contaminantes pueden ser presentes como:

1. - Sólidos: en suspención flotantes o grandes,

en el agua natural: hojas, ramas, etc.;

en el agua residual; papel, trapos, arenas, etc.

2. - Sólidos suspendidos pequeños y coloidales:

en el agua natural: partículas de arcilla y limo, microorganismos;

en el agua residual: moléculas orgánicas grandes, partículas de suelo,

microorganismos.

3. - Sólidos disueltos:

en el agua natural: alcalinidad, dureza, ácidos orgánicos;

en el agua residual: compuestos orgánicos, sales inorgánicas.

4. - Gases disueltos:

en el agua natural: bióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno;

en el agua residual: sulfuro de hidrógeno.

5. - Líquidos no mezclables:

grasas y aceites.

El tamaño de cada partícula determina el cambio de un grupo a otro; este cambio depende de sus características físicas tales como el peso específico del material y la división entre grupos es de cualquier manera indistinta. En ciertos casos puede ser necesario agregar sustancias para mejorar las características del agua, por ejemplo, cloro para desinfectar el agua, oxígeno para estabilizar biológicamente la materia orgánica.

3.2 Métodos de tratamiento

Hay tres clases principales de procesos de tratamiento:

1.- Procesos físicos que dependen esencialmente de las propiedades físicas de la impureza, tamaño de la partícula, peso específico, viscosidad, etc. Ejemplos comunes de este tipo de procesos son: cribado, sedimentación, filtrado, transferencia de gases.

2.- Procesos químicos que dependen de las propiedades químicas de una impureza o que utilizan las propiedades químicas de reactivos agregados. Algunos procesos químicos son: coagulación, precipitación, intercambio iónico.

3.- Procesos biológicos que utilizan reacciones bioquímicas para quitar impurezas solubles o coloidales, normalmente sustancias orgánicas. Los procesos biológicos aerobios incluyen filtrado biológico y los lodos activados. Los procesos de oxidación anaerobia se usan para la estabilización de los orgánicos y desechos de alta concentración.

En algunas situaciones, un solo proceso de tratamiento puede dar el cambio deseado en la composición, pero en la mayoría de los casos, es necesario utilizar una combinación de varios procesos.

3.3 Procesos de tratamiento preliminar

Para proteger las unidades principales de una planta de tratamiento y que su operación sea eficiente, es necesario quitar los sólidos flotantes grandes y los sólidos suspendidos que frecuentemente están presentes en el caudal de entrada.

Estos materiales pueden ser hojas, ramas, papel, trapos y otros desechos que pueden obstruir el flujo a través de la planta o dañar el equipo instalado.

3.3.1 Cribado y tamizado

En el primer nivel, en el tratamiento preliminar se efectúa una operación simple de cribado o tamizado para quitar los sólidos grandes. Para este propósito se usa una rejilla protectora gruesa con aberturas de 75 mm para evitar que los objetos grandes lleguen hasta la entrada. Con la malla residual, el contenido de papel y trapos por lo regular es alto y la naturaleza de los materiales es tal que la rejilla de malla sería difícil mantenerla limpia. En su lugar se acostumbra usar un arreglo de rejilla con barras entre 20 a 60 mm. En instalaciones pequeñas, es posible efectuar la limpieza manual intermitente de las rejillas, pero en instalaciones más grandes se requieren dispositivos de limpieza mecánica automática que se activan según el tiempo transcurrido o al acumularse una pérdida de carga a través de la rejilla. El material cribado del agua residual es de naturaleza desagradable y normalmente se entierra o se incinera. También se puede pasar un macerador que lo desmenuza, en algunas situaciones es preferible el uso de un pulverizador.

3.3.2 Microtamizado

Es una forma moderna de al rejilla de tambor que usa una malla fina de acero inoxidable con aberturas de 20 a 60 µm; con este microtamiz se separan los sólidos relativamente pequeños. Se utiliza en el tratamiento de agua para retira algas y partículas de tamaño similar de aguas que, por lo demás, son de buena calidad. Se emplea también como un nivel terciario final para obtener un efluente de agua residual de alta calidad.

3.3.3 Remoción de arena

La mayoría de los sistemas de alcantarillado y especialmente aquéllos con drenajes combinados, transportan en el flujo grandes cantidades de arena. Si este material no se quita, puede causar daño a las partes mecánicas de la planta de tratamiento. Regularmente la arena se separa por el principio de sedimentación diferencial. Las partículas de arena con un diámetro de 0.20 mm y P.E. 2.65 tienen una velocidad de sedimentación de 1.2 m/min, mientras que la mayoría de los sólidos suspendidos en el agua residual tienen velocidades de sedimentación considerablemente más bajas. Con el de un canal de suspención parabólica es posible sostener una velocidad horizontal constante de 0.3 m/s para todos los gastos. En estas condiciones, en un canal de suficiente longitud que tenga un tiempo de retención de 30 a 60 segundos, las partículas de arena se sedimentarán en el fondo mientras que el flujo transporta todavía los sólidos suspendidos restantes. La arena se quita a intervalos, se lava y se utiliza de alguna manera. Los sólidos orgánicos que se quitan con la arena se lavan y se regresan al flujo antes de descargar la arena.

3.4 Clarificación

Muchas impurezas en el agua natural o en la residual existen como materia suspendida que permanece en tal condición en los líquidos que fluyen, pero que se mueve verticalmente debido a la influencia de la gravedad de condiciones estáticas o semi-estáticas. Como por lo regular las partículas son más densas que el líquido circundante, ocurre la sedimentación, pero si se trata de partículas pequeñas o de baja densidad, la flotación es el proceso de clarificación más recomendable. Las unidades de sedimentación tienen una función dual: la remoción de los sólidos sedimentables y la concentración de los sólidos removidos en un volumen más pequeño de lodo.

3.4.1 Teoría de la sedimentación

En la sedimentación es necesario diferenciar entre las partículas discretas, que son las que no cambian de tamaño, forma o masa durante la sedimentación, y las partículas floculentas, que son aquellas que se aglomeran durante la sedimentación y no tienen características constantes.

La teoría básica de la sedimentación supone la presencia de partículas discretas. Cuando tal partícula se pone en un líquido de densidad más baja, se acelerará hasta que se alcance una velocidad terminal limitante.

Pueden ocurrir cuatro tipos diferentes de sedimentación:

Sedimentación de clase 1: sedimentación de partículas discretas de acuerdo con la teoría.

Sedimentación de clase 2: sedimentación de partículas floculentas que aumentan su velocidad durante el proceso.

Sedimentación por zona: determinadas concentraciones de partículas floculentas, las partículas están lo suficientemente cerca unas de otras para que las fuerzas interparticulares las mantengan fijas en relación de unas con otras de tal forma que la suspención se sedimente como una unidad.

Sedimentación de compactación: altas concentraciones, las partículas están en contacto y las capas inferiores de sólidos soportan en parte el peso de las partículas.

En caso de suspensiones concentradas (>2,000mg/1 de SS) existe la sedimentación retardada. En esta circunstancias hay un importante desplazamiento hacia arriba de agua debido a las partículas que se sedimentan y eso tiene el efecto de reducir la velocidad de sedimentación aparente de las mismas.

3.4.2 Flotación

Con esta técnica las tasas de cargas no están directamente relacionadas con las características de la suspención; por esta razón es posible que los tiempos de retención sean relativamente cortos y aún así obtener una buena clarificación. El proceso requiere que se añada un agente de flotación, que normalmente son finas burbujas de aire, que se asocia con las partículas suspendidas y proporciona el medio de flotación necesario para llevarlas a la superficie del tanque y removerlas en forma de nata. La flotación por aire requiere la liberación de una nube de burbujas de aire muy pequeñas en la base de la unidad; de esta manera se logra saturar una porción del flujo tratado con aire a alta presión. Cuando el líquido presurizado se regresa al flujo principal que está a la presión atmosférica, el exceso de aire sale de la solución en la forma de finas burbujas. Las burbujas de aire se adhieren o se entretejen con las partículas suspendidas, que suben así a la superficie debido a la baja densidad.

3.5 Coagulación

Muchas impurezas en el agua natural y en la residual están presentes como sólidos coloides que no se sedimentan. Su remoción se puede lograr si se promueve la aglomeración de esta clase de partículas por floculación, con o sin el uso de un coagulante, seguida por procesos de sedimentación o flotación.

3.5.1 Suspensiones coloidales

La sedimentación se usa para remover partículas suspendidas hasta de 50 µm, lo que depende de su densidad, pero con partículas más pequeñas, que tienen velocidades de sedimentación muy bajas, no es factible utilizar la sedimentación para removerlas.

Si se logra aglomerar las partículas coloidales, finalmente aumentan de tamaño hasta un punto tal que hace posible su remoción por sedimentación. En un líquido en reposo, hay colisiones entre las partículas finas debido al movimiento browniano y también cuando los sólidos que se sedimentan más rápido rebasan a partículas cuyas sedimentación es más lenta. El resultado es que se producen partículas más grandes, menores en número; sin embargo, el crecimiento por estos medios es lento. Se puede mejorar la colisión entre partículas por medio de un agitado suave, el proceso de floculación, que puede ser suficiente para producir sólidos sedimentales a partir de una alta concentración de partículas coloidales. Con bajas concentraciones de coloides se agrega un coagulante para producir partículas de flóculo abultadas que s entretejan con los sólidos coloidales.

3.5.2 Floculación

El agitado del agua por mezclado hidráulico o mecánico causa gradientes de velocidad cuya intensidad controla el grado de floculación producida. El número de colisiones entre partículas está relacionado directamente con el gradiente de velocidad y es posible derterminar la potencia que se requiere para dar un grado particular de floculación.

3.5.3 Coagulación

Con la floculación de suspenciones coloidales diluidas sólo tienen colisiones esporádicas y la aglomeración no ocurre en grado importante.

El coagulante es una sal metálica que reacciona con la alcalinidad del agua para producir un flóculo insoluble de hidróxido del metal que incorpore a las partículas coloidales. Mediante la floculación de esta fina precipitación se produce sólidos sedimentales.

3.6 Flujo en medios porosos

El filtrado de suspenciones por medios porosos, normalmente arena, es una etapa importante en el tratamiento del agua potable para que alcance su clarificación final. Aunque cerca del 90% de la turbiedad y el color se eliminan durante la coagulación y la sedimentación cierta cantidad de flóculo se pasa de los tanques de sedimentación, y mismo que debe separarse. El filtrado en arena se emplea también para dar tratamiento terciario a efluentes de agua residual con el estándar 30:20. Otros usos del flujo en medios porosos son los lechos de intercambio iónico y las columnas de absorción, donde el objetivo no es quitar materia suspendida sino lograr el contacto entre dos sistemas.

3.7 Oxidación biológica aerobia

La cantidad de materia orgánica que una corriente puede asimilar está limitada por la disponibilidad de OD. En áreas industrializadas se descargan grandes volúmenes de agua residual en ríos relativamente pequeños, la autopurificación natural no puede conservar condiciones aerobias. Por esta razón es esencial un tratamiento del agua residual, adicional a la separación de SS por medios físicos. La remoción de materia orgánica soluble y coloidal la efectúan las mismas reacciones que ocurren en la autopurificación, pero la remoción eficiente se logra en una planta de tratamiento siempre y cuando se establezcan condiciones óptimas.

3.7.1 Principios de la oxidación biológica

La velocidad de una reacción de oxidación aerobia no se puede alterar en gran medida, pero si se sitúa una población grande de microorganismos en forma de légamo o lodo, sí es posible que la remoción de la materia orgánica presente en la solución sea rápida. Una superficie microbiana amplia permite la absorción inicial de sustancias coloidales y orgánicas solubles junto con la síntesis de nuevas células, de modo que después de un período de contacto relativamente corto, la fase líquida contiene poca materia orgánica residual. Una vez que se llega a esta etapa, la materia orgánica se oxida para formar productos aerobios finales.

La teoría de la DBO supone una reacción de primer orden hay evidencia, algunas veces contradictoria, que otras reacciones son de orden cero o de segundo orden. La situación se hace más compleja cuando se trata con desechos tales como el agua residual municipal que contienen muchos compuestos diferentes.

Para contenidos orgánicos altos es probable que la reacción sea de orden cero con velocidad constante de remoción de sustancia orgánicas por peso unitario de células.

Cuando la concentración orgánica ha sido reducida a algún valor limitante, la tasa de remoción se hace dependiente de la concentración.

Cerca de un tercio de la DQO de un desecho se usa para energía y los dos tercios restantes se utilizan para la síntesis de nuevas células. Se debe tomar en cuenta cualesquiera SS presentes inicialmente en el agua residual.

3.8 Desinfección

Debido a lo pequeño de muchos microorganismos, no es posible garantizar que su remoción sea completa con los tratamientos de coagulación o filtrado. Por esa razón, es necesario efectuar una desinfección para asegurar la eliminación de microorganismos potencialmente dañinos en las aguas potables. La mayoría de las aguas residuales y efluentes tratados contienen gran cantidad de microorganismos por lo que puede ser conveniente desinfectar tales líquidos, aunque en general no se recomienda la desinfección rutinaria de los efluentes. La desinfección de un efluente antes de la descarga tenderá a retardar las reacciones de autopurificación en el agua receptora; asimismo, la formación de productos de reacción que resultan de las interacciones de compuestos orgánicos y desinfectantes suele ser indeseable en aguas que se usan como fuentes de abastecimiento potable.

Es importante observar la diferencia entre la esterilización (la muerte de todos los organismos), que rara vez se practica o se necesita, y la desinfección (la muerte de organismos potencialmente dañinos), que es el requerimiento normal.

3.9 Tratamiento químico

Varios constituyentes del agua natural y de la residual no responden a los procesos de tratamiento convencionales ya descritos. Por esta situación, se deben usar formas alternas de remoción en su tratamiento. La materia inorgánica soluble se puede remover con técnicas de precipitación o intercambio iónico; las sustancias orgánicas solubles no biodegradables se remueven por adsorción.

3.9.1 Precipitación química

La remoción de ciertos materiales inorgánicos solubles se puede lograr al agregar reactivos adecuados para convertir las impurezas solubles en precipitados insolubles que pasan así a la fase de floculación y se pueden remover por sedimentación. El grado de remoción que se logre depende de la solubilidad del producto. Factores como el pH y la temperatura normalmente afectan esto.

Se usa la precipitación química en el tratamiento de agua residual de origen industrial para remover, por ejemplo, metales tóxicos de efluentes del terminado o de metales. Es común que tales efluentes contengan cantidades considerables de cromo hexavalente que es dañino para los sistemas biológicos. Si se agrega sulfato ferroso y cal, el cromo se reduce a la forma trivalente que se puede precipitar como un hidróxido. Para un tratamiento eficiente, es esencial agregar la dosis correcta de reactivos. Una característica de los procesos de precipitación química es la producción de volúmenes relativamente grandes de lodo.

El uso de más extendido de la precipitación química es para el ablandamiento de agua.

CONCLUSION

En el desarrollo de este tema hemos podido entender la importancia que tiene para la población los controles de la calidad del agua.

Porque todas las aguas contienen microorganismos, los cuales pueden afectar nuestra salud y estos deben ser tratados por una serie de procesos ya antes mencionados.

Esperamos que este trabajo le sea útil a quienes tengan la oportunidad de leerlo.

BIBLIOGRAFIA

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Vennon, Snoeyinn. Química del agua (Ministerio de Educación).

Dirección Ing. De Secretaría de Salud. Manual de Saneamiento Vivienda, Agua y

Desechos. República Dominicana. 1999.

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