M anual técnico del agua.

Barraque. Ch., y otros

ed. Degremont. 1979.

OXIDACIÓN DESINFECCIÓN

Para conseguir la eliminación de ciertas materias minerales disueltas indeseables (compuestos de hierro o de manganeso, por ejemplo), la supresión de sabores y olores y la destrucción de gérmenes patógenos (desinfección), se recurre, en tratamiento de aguas, a procesos químicos (oxidación) o físicos (rayos ultravioletas). En el presente capítulo, se describen los agentes oxidantes desde el punto de vista de su puesta en práctica (cloro y derivados ozono bromo) o de su producción (dióxido de cloro ozono) En el capitulo 20 con motivo del estudio detallado de los tratamientos de aguas de diversos orígenes se indicará dónde y como se utilizan los oxidantes y desinfectantes en las diversas secuencias de tratamiento. 1. OXIDACIÓN Y DESINFECCIÓN POR CLORO 1.1. Acción del cloro El cloro es el reactivo más utilizado para la desinfección del agua. Posee un poder oxidante remanente muy elevado, que favorece la destrucción de las materias orgánicas. Su acción bactericida puede explicarse por la destrucción de las enzimas indispensables para la vida de los agentes patógenos. El cloro disuelto en el agua reacciona con su disolvente según la reacción:

que va acompañada de la reacción secundaria:

El sentido de desplazamiento de estas reacciones de equilibrio depende del pH del medio. Si el pH es inferior a 2, todo el cloro se encuentra en forma molecular. A pH 5, el cloro molecular ha desaparecido totalmente, encontrándose de nuevo en forma de ácido hipocloroso (HCIO). A pH 10, el cloro se encuentra combinado en forma de iones hipoclorito (ClO-). Si el pH está comprendido entre 5 y 10, lo que generalmente sucede en aguas tratadas

con cloro, se tiene una mezcla de ácido hipocloroso y de iones hipoclorito en proporción variable con el pH, conforme a la curva que aquí se representa: El cloro es más eficaz en medio ácido que en medio alcalino, puesto que su efecto bactericida es mayor cuando se encuentra en forma HCIO. Su acción aumenta con el tiempo de contacto entre el agua y el reactivo; un tiempo de contacto pequeño puede compensarse con el empleo de una dosis mayor de reactivo.

Fig. 275.

1.2. Utilización de Cloro En el campo del tratamiento de agua, el cloro y sus derivados se utilizan principalmente para la precloración, la desinfección de aguas destinadas al consumo, el tratamiento anti-algas y antimoluscos de las aguas de circuitos de refrigeración, y el tratamiento de afino de aguas residuales urbanas.

1.2.1. PRECLORACIÓN (Punto crítico o «Break-point»)

Si se introducen en el agua dosis crecientes de cloro, y se determina, al cabo de una hora, el cloro total residual, se observa, a veces, que este valor, en lugar de aumentar de forma regular, pasa por un máximo, después decrece, pasa por un mínimo y crece, por último, regularmente, según la curva de la figura 276.

Fig. 276. Esto se debe a que el cloro, en una primera fase, se combina con las materias orgánicas del agua y con el amoníaco libre o combinado en forma de aminas, formando compuestos clorados (cloraminas), los cuales, en una segunda fase, se eliminan mediante un aumento de la dosis de cloro. El punto crítico, o «break point», es la dosis de cloro correspondiente al mínimo «m» de la curva para la cual sólo queda en el agua cloro libre y trazas de cloraminas. Como la causa de sabores desagradables son, sobre todo, los compuestos de adición dorados, el punto critico es la dosis de cloro para la cual es menor el sabor y más completa la eliminación de color. Debe observarse, sin embargo, que algunas aguas no presentan punto crítico. • Control de la precloración: este control consiste en detectar la presencia de cloro libre en el agua. En su determinación, no debe influir la presencia de cloro combinado en forma de cloraminas. A escala de laboratorio, se trabaja por amperometría, en condiciones tales que las cloraminas no influyen en la medida. A escala industrial, la medida puede hacerse automáticamente, mediante un fotocolorímetro automático del tipo descrito en la página 581, empleando siringaldacina como reactivo específico del cloro libre. Por medio de un comparador de placas coloreadas, puede efectuarse manualmente un control rápido.

1.2.2. DESINFECCIÓN DE AGUAS DE CONSUMO

El agua destinada al consumo humano debe estar exenta de bacterias pútridas y gérmenes patógenos. Se consigue este resultado por desinfección con cloro, añadido al agua en forma de agua clorada que se inyecta en el depósito de agua tratada, o, en el caso de instalación a presión, en la tubería de impulsión hacia el depósito de almacenamiento.

En ambos casos, deben tomarse las debidas precauciones para garantizar la mezcla correcta del agua clorada con el agua sometida a tratamiento. Se necesita un tiempo mínimo de contacto de 30 minutos, al cabo del cual la dosis de cloro residual debe ser aún de 0,1 a 0,2 mg/l. En primera aproximación, la dosis de cloro que ha de utilizarse será la que deba añadirse al agua para que, después de 30 minutos de contacto, sigan existiendo trazas de cloro libre. La medida se efectúa vertiendo dosis crecientes de cloro en una serie de frascos de 1 litro, que contengan el agua que haya de examinarse. Al cabo de un tiempo de contacto de 30 minutos a la misma temperatura, se controla el cloro libre residual. • Control de la desinfección: la desinfección sólo puede controlarse de forma perfecta mediante análisis bacteriológicos. Sin embargo, deben efectuarse frecuentes determinaciones de cloro residual, siendo conveniente utilizar un método de análisis que permita determinar el contenido en cloro libre y en cloro combinado (Método de análisis pág. 954). Si el agua que debe desinfectarse no se ha sometido a un tratamiento previo al punto critico, es preciso utilizar uno de los dos métodos de medida indicados anteriormente, con el fin de determinar por separado el cloro libre, excluyendo el cloro combinado en forma de cloraminas. El exceso de cloro puede medirse automáticamente, por galvanometría o por fotocolorimetría (ver página 581).

1.2.3. DOSIFICACIÓN DE CLORO GASEOSO Y ALMACENAMIENTO DE CLORO LÍQUIDO

Los aparatos clásicos de dosificación de cloro gaseoso (ver pág. 560) se basan en los principios acostumbrados en la distribución de gases. Constan estos aparatos de dispositivos de expansión, de regulación, de control de caudal y de disolución. Por razones de seguridad, la casi totalidad de estos aparatos funcionan en vacío parcial: la presión en el cuerpo del aparato, inmediatamente después de la válvula de entrada, en la que tiene lugar la expansión del gas a presión, es ligeramente inferior a la presión atmosférica. Sin embargo, existe siempre la posibilidad de fuga, incluso cuando se trata de aparatos que trabajan en vacío, ya que éstos reciben, en su entrada, cloro a presión. Para evitar que se produzcan corrosiones graves en los aparatos situados en las proximidades (motores y aparellaje eléctrico), es aconsejable disponer los aparatos de almacenamiento y distribución en un local independiente, instalado de acuerdo con la legislación vigente. Pueden verse posibilidades de instalación en el capitulo 18. Fisiológicamente, el cloro es, desde el punto de vista respiratorio, un irritante poderoso.

Sin embargo, es perceptible en concentraciones muy inferiores a las que son perjudiciales. Pequeñas concentraciones, en lugares cerrados, provocan a veces náuseas y tos. Es muy importante prever medidas de seguridad para casos urgentes. Para ello, es preciso disponer de una máscara anti-gas apropiada, preferentemente del tipo autónomo, colocada en un punto fácilmente accesible, y que se encuentre fuera del espacio que seria probablemente invadido por cloro en caso de accidente. Por lo que se refiere a la toxicología del cloro, se admite que las reacciones fisiológicas del hombre son las siguientes: en ml/m3 Contenido admisible del aire respirado sin peligro durante 8 horas de trabajo 1,0 Olor perceptible 3,5 Irritación de la garganta a partir de 15 Tos provocada a partir de 30 Máximo para estancia de corta duración 40 Peligroso incluso en caso de corta duración 40 a 60 Rápidamente fatal 1000

• Primeros auxilios: Pueden adoptarse las indicaciones dadas por el lnstitut National de Recherche et de Securité francés, 30, rue Olivier-Noyer, 75014 París, cualquiera que sea el agente utilizado (cloro, bromo, ozono). En especial:

- no debe atravesarse sin máscara una zona contaminada o sospechosa de contaminación; - debe evacuarse inmediatamente al intoxicado de la zona contaminada, evitándole todo movimiento, y avisar al médico o técnico sanitario más próximo; - se recomienda a los socorristas y enfermeros que no administren nunca morfina, ni cualquier medicamento que la contenga, a los intoxicados por cloro.

2. OXIDACIÓN Y DESINFECCIÓN POR DERIVADOS DEL CLORO 2.1. Cloraminas Son antisépticos muy estables, cuya acción es menos rápida que la del cloro, pero que subsisten en el agua durante un tiempo mayor. Se preparan, generalmente, a partir de cloro y de amoníaco (dosis de amoniaco comprendida entre 1/4 y 1/2 de la dosis de cloro) o sales amonia cales. Se utilizan poco actualmente.

2.2. Dióxido de Cloro El dióxido de cloro es un gas de color amarillento y olor penetrante. Es explosivo a concentraciones superiores al 10 % en volumen en el aire, pero no entraña peligro alguno en solución en el agua. Es un agente muy oxidante, de gran poder decolorante y desodorizante. Su acción sobre los elementos patógenos es, por lo menos, igual a la del cloro. Debe utilizarse con preferencia al cloro, cuando el agua a tratar contiene trazas de fenoles que pueden combinarse con el cloro y comunicar al agua un sabor desagradable a clorofenol. Oxida rápidamente las sales de hierro, que transforma en hidrato férrico insoluble. De igual forma, utilizado en exceso en dosis variables con el pH del agua, precipita las sales de manganeso en forma de dióxido de manganeso. Por lo tanto, utilizado en precloración, permite la eliminación de estos metales. El dióxido de cloro siempre se produce «in situ», por reacción en solución del cloro o del ácido clorhídrico, sobre el clorito sódico. El clorito sódico en estado sólido debe manejarse con precaución, conservándose al abrigo de la humedad, el calor, los ácidos y las materias combustibles. • Preparación a partir de ácido clorhídrico: la reacción de producción es compleja, pudiendo resumirse globalmente como sigue:

10 g de clorito sódico puro corresponden a 3,2 g de ácido clorhídrico y dan 6 g de dióxido de cloro. La reacción es lenta, y sólo es completa en presencia de un exceso de ácido. En la práctica, la dosis de ácido clorhídrico utilizada corresponde a 3 a 4 veces la cantidad estequiométrica. La instalación de preparación y de dosificación puede realizarse según el esquema de la figura 277. Cada una de las soluciones de ácido clorhídrico y de clorito sódico se preparan en un depósito, a las concentraciones respectivas, por ejemplo, del 8,5 % y del 7 %. Una bomba dosificadora, de dos cabezas, aspira las dos soluciones y las impulsa a una torre de mezcla, cuya capacidad corresponde a un tiempo de contacto de unos veinte minutos para el caudal máximo de la bomba. Para un caudal idéntico de cada una de las dos cabezas de la bomba, se obtiene así, a la salida de la cuba de mezcla, una solución a 20 g/l de dióxido de cloro.

Fig. 277. - Preparación de dióxido de cloro a partir de ácido clorhídrico.

Fig. 278.- Preparación de dióxido de cloro a partir de cloro. • Preparación a partir de cloro: en este caso, la reacción se escribe:

10 g de clorito sódico puro corresponden a 3,9 g de cloro gaseoso y liberan 7,45 g de dióxido de cloro (fig. 278). En la práctica, se prepara una solución de agua clorada, con un pH inferior a 2,5, que se mezcla con una cantidad conveniente de solución al 10 % de clorito sódico. Para evitar que se inyecte al agua a tratar clorito sódico no transformado en dióxido de cloro, no se prepara la mezcla en la proporción estequiométrica, sino que se utiliza siempre un exceso bastante fuerte de cloro. Puede reducirse este exceso a costa de una complicación suplementaria, reduciendo, mediante adición de ácido sulfúrico, el pH del medio reaccional, a un valor inferior a 2. 2.3. Hipoclorito sódico

Las soluciones de hipoclorito sódico, comúnmente denominado agua de Javel (o lejía), se caracterizan por su contenido en cloro activo, que se valora en grados clorométricos (Gay-Lussac). Es la cantidad de cloro libre en litros, en las condiciones normales (0 ºC ,760 mm de mercurio) que tiene el mismo poder oxidante que 1 kg de producto: 1 grado clorométrico = 3,17 g de Cl2 por kg. La solución de hipoclorito sódico se añade al agua a tratar en forma comercial concentrada, o, en el caso de caudales muy pequeños, en forma diluida. En este caso, la alcalinidad del hipoclorito sódico precipita la dureza del agua de dilución en los depósitos de preparación; como consecuencia de ello, pueden producirse incrustaciones en las tuberías y en los dosificadores. Esto se evita preparando la solución 24 h. antes de su empleo, para que los precipitados formados tengan tiempo suficiente para sedimentar, o introduciendo en el depósito, siempre que se proceda a su llenado, unos 50 g de hexametafosfato sódico por cada 100 l de agua. En el caso de aguas muy duras, puede ser necesario un desendurecimiento previo. La solución de hipoclorito sódico puede dosificarse mediante un dosificador D.R.C. (descrito en la página 551), que consiste en un aparato muy simple, con una toma superficial del líquido esterilizante, que se vierte de forma regular, a caudal constante, o en función del caudal a tratar, si éste es variable. Cuando el reactivo debe inyectarse en una tubería a presión, a caudal constante o variable, se utilizan, generalmente, bombas dosificadoras (descritas en la página 548). • Control de la desinfección. Como en el caso del tratamiento por cloro gaseoso, el control consiste, aparte de los ensayos bacteriológicos, en garantizar la presencia, en el agua tratada, de un contenido residual de reactivo. Si se utiliza dióxido de cloro preparado a partir de cloro, se mide el contenido residual de Cl2 (método de análisis pág. 954).

3. ELECTROCLORACIÓN 3.1. Principio Se trata de un procedimiento de fabricación local de hipoclorito sódico, por electrólisis de una solución de cloruro sódico. Es interesante su aplicación cuando la solución de sal disponible se encuentra en forma de agua de mar. La electrocloración evita los inconvenientes que, desde el punto de vista de seguridad, entraña la constitución de un almacenamiento importante de cloro líquido. Con ella no se necesita disponer de grandes depósitos de almacenamiento de reactivo, puesto que la producción de hipoclorito sódico se efectúa de forma continua, en función de las necesidades. Cuando la fabricación se hace partiendo de una solución artificial de cloruro sódico, se

simplifican los problemas de manutención y transporte, puesto que, en este caso, el reactivo es inofensivo. La disociación iónica del cloruro sódico en un depósito de electrólisis da las siguientes reacciones: en el cátodo

en el ánodo

En el baño, la sosa cáustica formada reacciona sobre los ácidos clorhídrico e hipocloroso, dando respectivamente cloruro sódico e hipoclorito sódico; de forma global, puede escribirse la relación:

Para obtener el equivalente de 1 gramo de cloro, es preciso producir 2,1 g de hipoclorito sódico, consumiendo 3,3 g de cloruro sódico y produciendo 0,056 g de hidrógeno. 3.2. Realización de los electrolizadores Un electrolizador está constituido, generalmente, por una cuba de material plástico, inatacable por el hipoclorito sódico, provista de una entrada y una salida de solución salina. Mediante un dispositivo especial se consigue, en la salida, la eliminación del hidrógeno formado. Los electrodos se montan en serie, en el interior de la cuba. Los electrodos de extremo se conectan, respectivamente, a los polos negativo (cátodo) y positivo (ánodo) del generador de corriente. Generalmente, los electrodos son de titanio, y el ánodo y las caras anódicas de los electrodos intermedios bipolares se protegen de la corrosión mediante platinado. 3.3. Condiciones de funcionamiento En función de las características del electrólito y de la concentración de hipoclorito sódico deseada, los electrolizadores se montan en paralelo o en serie, con posibilidad, en ambos casos, de recirculación de la solución salina. La concentración óptima de la solución, del orden de 30 g/l de NaCl, permite obtener, con un solo paso en el electrolizador, una concentración en equivalente cloro de 250 mg/l, aproximadamente.

Utilizando electrolizadores en serie, y haciendo recircular la solución, esta concentración puede llegar hasta unos 3 g/l partiendo de agua de mar, y hasta 6 a 8 g/l en el caso de una solución artificial de cloruro sódico. Cuando se trata de desinfectar un agua para el consumo humano, conviene trabajar a fuerte concentración, para reducir al mínimo la cantidad de cloruro sódico añadida al agua. El consumo de energía eléctrica es de unos 4 a 4,5 kWh por kg de cloro equivalente producido.

Fig. 279. - Esquema de montaje de una instalación de producción de hipoclorito sádico partiendo de agua de mar normalizada.

4. OXIDACIÓN Y DESINFECCIÓN POR OZONO 4.1. Características y producción de ozono

4.1.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

El ozono es una variedad alotrópica del oxigeno, de fórmula O3. Es un gas de color azul, cuyas principales características físicas son:

- masa molar: 48 g/mol; - densidad con relación al aire: 1,657; - masa volúmica a 0 ºC y a 760 mm de mercurio: 2,143 kg/m3;

- calor de formación de un mol en volumen constante: 143 kJ (34,2 kcal)

4.1.2. PRINCIPIO DE LA PRODUCCIÓN DE OZONO

El ozono es un gas inestable, que se obtiene por la acción ionizante, sobre el oxígeno, de un campo eléctrico creado por un potencial elevado. El fenómeno se manifiesta por la aparición de un efluvio violeta. En la práctica, el ozono se obtiene industrialmente haciendo pasar una corriente de aire, o de oxigeno, entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial alterna. Con el fin de evitar la formación de un arco eléctrico, se recubre uno de los electrodos, o a veces los dos, con un dieléctrico de espesor uniforme, que crea una superficie equipotencial. La diferencia de potencial a la que se someten los electrodos es función, evidentemente, de la naturaleza y del espesor del dieléctrico, así como de la distancia entre los electrodos. En la práctica, se encuentra comprendida entre 10000 y 20000 V. Para una diferencia de potencial dada, la producción de ozono depende esencialmente de la forma geométrica de los elementos del aparato productor de ozono, de las características dieléctricas del aislante, de la frecuencia de la corriente de alimentación, del grado de sequedad del aire, de la presión y de la concentración deseada de ozono en el aire o en el oxígeno. Depende, asimismo, de la temperatura del agua de refrigeración del aparato de producción. La concentración normal de ozono en el aire ozonizado es, por término medio, de 10 a 20 g/m3. Para esta concentración, y supuesta una buena desecación (punto de rocío comprendido entre - 40 y 60 ºC) la producción de los ozonizadores actuales varia, según los modelos, de 50 a 100 g por metro cuadrado de superficie de dieléctrico y por hora, si la frecuencia de la corriente es de 50 Hz. En ciertas condiciones, pueden obtenerse valores superiores, aumentando la frecuencia. La energía eléctrica total consumida por la instalación completa varia, según su importancia, de 20 a 30 Wh, por gramo de ozono producido. El propio ozonizador consume de 14 a 18 Wh por gramo de ozono producido. Una parte muy importante de esta energía se convierte en calor, debido a pérdidas en la descarga eléctrica, que provocan un fuerte calentamiento. Como el rendimiento de producción de ozono disminuye con la temperatura del gas, debe preverse un sistema de refrigeración, generalmente por circulación de agua.

Fig 280

4.1.3. DIFERENTES TIPOS DE OZONIZADORES

Existen, actualmente, dos tipos de aparatos de producción de ozono: ozonizadores de placas y ozonizadores tubulares. A. Ozonizadores de placas. Están constituidos por dieléctricos y electrodos metálicos planos. El conjunto se instala, generalmente, en un recinto estanco, provisto de un sistema de refrigeración. B. Ozonizadores tubulares. Un elemento ozonizador tubular está constituido por dos electrodos concéntricos y un tubo dieléctrico. Los ozonizadores tubulares se diferencian por la posición vertical u horizontal de los electrodos, así como por la posición del dieléctrico con relación al agua de refrigeración. • Ozonizadores tubulares verticales: los ozonizadores tubulares verticales se componen, generalmente, de elementos constituidos por dos tubos concéntricos: en el interior, un cilindro metálico hueco; en el exterior, un dieléctrico tubular, cerrado en su extremo inferior. El electrodo metálico, por el cual se lleva el gas a ionizar, va conectado a la

borna de alta tensión de un transformador. El tubo dieléctrico se sumerge directamente en el agua de refrigeración, la cual, puesta al potencial de tierra, constituye el segundo electrodo. La formación de ozono tiene lugar en el espacio anular existente entre el exterior del electrodo metálico y el interior del tubo dieléctrico. • Ozonizadores tubulares horizontales DEGRÉMONT: en los ozonizadores tubulares horizontales, del tipo de aparatos DEGRÉMONT, cada elemento comprende un tubo de acero inoxidable, sumergido en el agua de refrigeración y puesto a tierra. El otro electrodo está constituido por un revestimiento metálico, aplicado en el interior de un tubo dieléctrico cerrado en un extremo. Este electrodo va conectado a la borna de alta tensión de un transformador. La disposición es, por tanto, inversa con relación a la de los aparatos verticales, ya que una de las caras del dieléctrico, en lugar de estar conectada a tierra, está sometida a una alta tensión. La formación del ozono tiene lugar en el espacio anular dispuesto entre el exterior del tubo dieléctrico y el interior del tubo metálico que constituye el electrodo de masa. El centrado de los tubos dieléctricos en sus tubos metálicos se efectúa por resortes de acero inoxidable. No existen juntas, por lo que el dieléctrico no está sometido a esfuerzo mecánico alguno debido a variaciones de temperatura. Cada tubo dieléctrico puede estar provisto de un fusible individual de protección, que permite el aislamiento de un tubo defectuoso, en tanto que los demás dieléctricos permanecen en funcionamiento. Los aparatos funcionan indistintamente con ligero vacío o a presión, y la producción específica varia poco con la presión, en tanto que permanezcan pequeñas las concentraciones de ozono.

Fig. 281. - Ozonizador tubular horizontal DEGRÉMONT. 4.1.4. TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN Los ozonizadores pueden alimentarse con aire o con oxigeno; la elección depende de la aplicación considerada y de la posibilidad de disponer de oxigeno puro.

En un ozonizador determinado, y a igualdad de potencia aplicada, se obtiene aproximadamente dos veces más ozono partiendo de oxigeno que partiendo de aire. Por lo tanto, con oxigeno se reduce notablemente el costo de los equipos y el consumo eléctrico. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el ozono se prepara a partir de aire. El aire de alimentación de los ozonizadores debe acondicionarse y secarse adecuadamente, por varias razones:

- el polvo contenido en el aire contribuye, por transporte de cargas eléctricas, a la formación de arcos eléctricos perjudiciales para la producción de ozono, que consumen energía y que van en contra de la buena conservación de los materiales; - el vapor de agua contenido en el aire favorece igualmente la formación de arcos eléctricos, por reducción de la rigidez dieléctrica del medio gaseoso. Además, una parte de la energía se consume para ionizar el vapor de agua, lo que produce una degradación del rendimiento de producción de ozono. Por último, los óxidos de nitrógeno producidos por la descarga en el aire dan lugar, en presencia de agua, a derivados nitrados, que obstruyen los aparatos, perjudican a la producción y son indeseables en el agua potable.

A. Compresión del aire. La presión de alimentación de aire de un ozonizador es función del método de puesta en contacto del ozono con el agua a tratar y del método de secado del aire. En el caso de secado con regeneración por calor, tal como el que se describe más adelante, y que se efectúa a baja presión, la presión de alimentación depende de la presión necesaria para la puesta en contacto agua-aire ozonizado y de las pérdidas de carga en los diferentes aparatos en línea. Es del orden de 0,7 bar, en cuyo caso es suministrada por un compresor. En el caso de secado con regeneración sin calor, efectuado a alta presión, la presión de alimentación debe estar comprendida entre 5 y 10 bar. B. Desecación del aire. Esta desecación se realiza, generalmente, en una fase a fuerte presión o en dos fases a baja presión. • Desecación en una fase por secadores «sin calor»: el aire comprimido, previamente refrigerado en un intercambiador de circulación de agua, se envía a un secador que contiene un material adsorbente, tal como la alúmina activada. Este aparato tiene dos capacidades de secado, una de las cuales se emplea para la regeneración y la otra para el secado del aire. Para la regeneración de un secador «sin calor» no se necesita aportación exterior de calorías. En efecto, como la adsorción es un fenómeno exotérmico, se utilizan las

calorías disponibles en el aire seco para garantizar la desorción del agua fijada en la columna durante la regeneración. La cantidad de aire seco consumida por la regeneración es igual al 12 a 25 % del caudal total que entra en el secador; esta cantidad varía con el tamaño del aparato y la presión de alimentación. • Desecación en dos fases, a baja presión: este método de secado se utiliza, preferentemente, en grandes instalaciones. En este caso, el aire pasa, en primer lugar, a un aparato refrigerante, en el que se condensa (1 . fase) una gran parte del vapor de agua que contiene. El aire sale del aparato refrigerante a una temperatura comprendida entre 2 y 5 encontrándose próximo a la saturación; seguidamente, atraviesa un secador que, como en el caso anterior, contiene un material adsorbente, tal como la alúmina activada (2. fase). Este secador, que comprende igualmente dos capacidades de secado, trabaja a baja presión. Su material adsorbente se regenera por paso de aire caliente. C. Ozonizadores DEGRÉMONT. Los ozonizadores DEGRÉMONT se fabrican en diferentes tamaños normalizados, presentándose bajo dos formas: simple y doble. En un ozonizador simple, cada tubo metálico del haz contiene un tubo dieléctrico. En un ozonizador doble, dos dieléctricos van alojados, en sentido opuesto, en el mismo tubo metálico. Estos aparatos cubren una gama de producción que va desde 0,250 kg/h hasta 10 kg/h. Dentro de esta gama, existen aparatos monobloc que producen hasta 2,5 kg/h (OZONAZUR A y MB). Los aparatos monobloc llevan, dentro de un mismo armario (OZONAZUR A) o sobre un mismo soporte (OZONAZUR MB), la célula de producción de ozono, los aparatos de acondicionamiento de aire, el material eléctrico en baja tensión necesario para la alimentación de potencia y para los dispositivos de automatismo y de seguridad, así como el transformador de alta tensión. En este caso, el método de secado adoptado corresponde al tipo denominado «sin calor», por lo que la alimentación de aire debe efectuarse a una presión comprendida entre 5 y 10 bar. Para las necesidades de laboratorio, los aparatos OZOLAB T1 y OZOLAB T2 garantizan una producción de ozono, con una variación continua, entre 0 y 8 g/h en un caso, y 0 y 16 g/h en el otro (alimentación de aire) o bien entre 0 y 15 y 0 y 30 g/h (alimentación de oxigeno).

Fig. 282.- Ozonizador de laboratorio OZOLAB tipo T2S.

Fig. 283.- Ozonizador monobloc tipo MB.

Fig. 284 - Ozonizador monobloc tipo A.

Fig. 285.- Desinfección por ozono. Funcionamiento a fuerte presión. Desecación en una fase.

Fig. 286.- Desinfección por ozono. Funcionamiento a baja presión. Desecación en dos fases. D. Alimentación eléctrica de los ozonizadores. Según la cantidad de ozono que haya de producirse, existen dos posibilidades para la alimentación eléctrica de los ozonizadores:

- para pequeñas cantidades (por ejemplo, inferiores a 10 kg de ozono por hora y por aparato), la frecuencia de la corriente de alimentación de los ozonizadores es la de la red de distribución, 50 ó 60 Hz; - para cantidades mayores, puede resultar más económico, una vez estudiado cada caso particular, alimentar los ozonizadores en frecuencia media, a partir de un generador estático que suministre una frecuencia situada en la parte inferior de la gama audible.

• Alimentación con frecuencia industrial: en este caso, la variación de producción de ozono se realiza por modificación de la tensión aplicada al ozonizador, ya sea por saltos (un conmutador permite aplicar la tensión fija de la red a unas tomas que determinan relaciones de transformación diferentes en el transformador de alta tensión), o en continuo (un autotransformador variable permite la alimentación del transformador de

alta tensión a una tensión variable de forma continua). Al ser pequeño el factor de potencia de un ozonizador y próximo a 0,4 en adelante, puede preverse una compensación inductiva que lleve el factor de potencia del conjunto hasta un valor próximo a la unidad, con lo que se reduce la potencia instalada requerida por el aparato (expresada en kVA). • Alimentación con frecuencia media: La alimentación de ozonizadores con frecuencia media se efectúa por medio de máquinas giratorias o de generadores de frecuencia totalmente estáticos, denominados «onduladores». En el caso de máquinas giratorias, éstas son del tipo alternador accionado por motor. Los «onduladores» son generadores de frecuencia estáticos, con tiristores, cuyo principio consiste en rectificar la frecuencia de la red trifásica, y establecer después una frecuencia media actuando sobre el accionamiento de tiristores incluidos en un puente. La producción de ozono mediante estos onduladores ofrece cierto número de ventajas, entre las cuales pueden citarse:

- aumento de la potencia másica de los aparatos; el funcionamiento en una frecuencia comprendida entre 300 y 600 Hz permite obtener, para un mismo aparato, una potencia y una producción superiores al doble de las obtenidas en frecuencia industrial; - obtención, en carga nominal, de un factor de potencia próximo a la unidad; - reducción de la tensión de funcionamiento; - flexibilidad de empleo, consiguiéndose la variación de potencia, y por lo tanto de producción, mediante el accionamiento de tiristores.

Fig. 287. - Vista del interior de un ozonizador.

Fig. 288.- Frente de 3 ozonizadores tipo G.L. Nantes (Francia). Caudal: 30 kg/h de ozono.

4.2. Utilización del ozono

4.2.1. PRINCIPIO

Conviene definir con precisión la finalidad del tratamiento por ozono. En el tratamiento de aguas de abastecimiento público, el primer objetivo puede ser la mejora de las características organolépticas del agua (color, umbral del gusto). En este caso, que corresponde a las aguas obtenidas partiendo de aguas brutas poco contaminadas, puede ser suficiente una sola unidad de puesta en contacto, en la que tiene lugar la reacción de ozonización que responde al problema planteado. El tiempo de contacto está comprendido entre 4 y 6 min. En el caso de que se pretenda una eliminación eficaz de virus, se admite generalmente que es necesario mantener una dosis de ozono residual de 0,4 g/m3 durante 4 minutos. En este caso, es indispensable realizar la puesta en contacto en dos compartimientos. El segundo compartimiento se reserva a la eliminación de virus propiamente dicha: la dosis de ozono residual a la entrada de este compartimiento debe ser, como mínimo, de 0,4 g/m3, y debe introducirse, en la base de esta torre, la cantidad de ozono necesaria para mantener este valor durante 4 min. La dosis de tratamiento que debe preverse en este compartimiento es relativamente constante, situándose entre 0,4 y 0,6 g/m3 de ozono. El primer compartimiento está destinado a responder a la demanda química de ozono del agua. El tiempo de contacto y la dosis de tratamiento que deben preverse en este compartimiento dependen estrechamente de esta demanda. En el caso de que ésta sea pequeña (reducción del color, de sabores), puede tomarse como base una dosis de tratamiento de 0,4 a 1 g/m3 y un tiempo de contacto de 4 a 6 min. Si se prevé que el agua pueda contener microcontaminantes que hayan de oxidarse, puede ser necesario aumentar considerablemente, a la vez, la dosis de tratamiento y el tiempo de contacto. La dosis de tratamiento puede llegar hasta 5 g/m3, e incluso más, según la cantidad de microcontaminantes que deba eliminarse. El tiempo de contacto puede variar entre 4 y 12 min, según la cinética de oxidación de los productos que hayan de oxidarse. En todos los casos, convendrá tener un conocimiento lo más profundo posible de la contaminación química potencial; esta demanda puede valorarse en laboratorio.

Fig. 289. - Torre de contacto (cámara única).

Fig. 290. - Torre de contacto con 2 com partimientos. En algunos casos, sólo se pretende una acción oxidante del ozono (eliminación de hierro o manganeso). En tal caso, se utiliza una cámara de contacto única, o un sistema de recirculación del aire ozonizado residual (ver figura 291). En tratamiento de aguas residuales industriales, pueden disponerse en serie varias unidades de puesta en contacto, realizando, en caso necesario, un sistema a contracorriente, para utilizar al máximo el ozono residual.

Fig. 291.- Torres de contacto en serie, con recirculación del aire ozonizado residual. En tratamiento de agua residual (industrial o urbana), si el agua a tratar contiene materias floculadas, y se desea realizar una desinfección, es conveniente utilizar un sistema de puesta en contacto por turbina: en efecto, las burbujas producidas por un sistema de difusores porosos no pueden crear una turbulencia suficiente para disgregar las materias aglomeradas y permitir al ozono una oxidación completa de las bacterias y

virus. Las dosis de tratamiento pueden aumentarse hasta 10-20 g/m3. En el caso de vertidos muy contaminados, siempre es indispensable efectuar un ensayo previo en laboratorio.

4.2.2. PUESTA EN CONTACTO

Debe estudiarse cuidadosamente la puesta en contacto del aire ozonizado con el agua, ya que la elección de los valores de interfase gas-líquido y de la concentración de ozono en la fase gaseosa condicionan el rendimiento de la operación de solubilización; desde el punto de vista únicamente de solubilidad del ozono en el agua, es conveniente aumentar al máximo la concentración de ozono en el aire ozonizado inyectado. Pero si con una dosis de tratamiento constante, se eleva esta concentración, se aumenta el consumo energético del ozonizador y se disminuye considerablemente la superficie de intercambio agua-burbujas, por reducción del volumen de estas últimas, Por otra parte, debe tenerse en cuenta que el rendimiento de disolución mejora cuando aumenta la presión a la que se realiza la inyección, y especialmente cuando aumenta la profundidad de la cámara de contacto. Con cubas de 7 a 8 m de altura, pueden alcanzarse fácilmente rendimientos de disolución del 95 %. Se utilizan diferentes métodos de puesta en contacto del ozono con el agua a tratar, entre los cuales pueden citarse: A. Puesta en contacto por inyector. • Cuando se dispone de una carga hidráulica mínima de 2 m de columna de agua, puede utilizarse un inyector recorrido por la totalidad del caudal a tratar, que aspire el aire ozonizado y alimente por el fondo la columna de contacto, (figura 292). Con este dispositivo no se alcanzan altos rendimientos de disolución. • Cuando la carga disponible es inferior a 2 m, se divide el caudal a tratar en dos fracciones distintas. La parte menor se bombea con el fin de incrementar su presión y asegurar el funcionamiento del inyector de aire ozonizado. El resto del caudal se introduce, por gravedad, en la base de la columna de contacto. Este método no es muy eficaz, debido a la mala homogeneización del contenido en ozono al mezclarse con la fracción de agua que no ha pasado por el inyector. B. Contacto por difusores porosos. En la base de una torre de con tacto, se disponen unos difusores porosos con los que se obtiene una división del aire ozonizado en burbujas muy finas. El agua a tratar se introduce en la torre por su parte superior (fig. 289), obteniéndose así un contacto íntimo a contracorriente de los dos fluidos. Pueden construirse torres de contacto de varios compartimientos, con inyecciones parciales de aire ozonizado, efectuadas, preferentemente, a contracorriente. Los difusores porosos son de tipo tubular o de disco. C. Contacto por turbina. El agua a tratar se introduce en la zona de aspiración de una turbina que la impulsa

hacia abajo al encuentro de un flujo de aire ozonizado inyectado por debajo de la misma. Una emulsión muy fina (aire ozonizado - agua) se difunde en la totalidad de la parte anterior a la torre de contacto, y es recogida por la turbina, cuyo caudal de recirculación representa varias veces el caudal de agua a tratar (figura 293).

Fig. 292.- Esquema de principio con inyector de aire ozonizado.

Fig. 293. - Torre de contacto con turbina. Una turbina de perfil especial provoca el cizallamiento de las burbujas de aire ozonizado, garantizando así una buena difusión de la mezcla gaseosa en la masa líquida. Puede utilizarse, para ello, el sistema descrito en la página 229 (Vortimix).

4.2.3. ELIMINACIÓN DEL OZONO RESIDUAL

Después de haber estado en contacto con el agua a tratar, el aire que sale de la torre de contacto, por un venteo, contiene una cierta cantidad de ozono residual. Según el tipo de contacto utilizado, y la dosis de ozono residual que se desee mantener en el agua tratada, esta pérdida de ozono, referida a la cantidad de ozono producido, puede ser del 1 al 1 5 %. Conviene evitar que salga al exterior aire demasiado rico en ozono. Si bien en ciertos casos se procede a una simple dilución en la atmósfera, generalmente se elimina de forma sistemática el ozono en exceso (método térmico, químico o catalítico). También puede preverse una recirculación del ozono residual a la entrada del sistema de contacto; sin embargo, este procedimiento da lugar a un notable consumo de energía (nueva puesta a presión del aire que contiene el ozono residual o energía consumida por una turbina de recirculación), y su resultado no es muy importante, especialmente en el caso de aguas potables; la concentración en ozono residual del aire es pequeña (0,2 a 1 g/m3) y el rendimiento de disolución del ozono a esta concentración es muy bajo (50 %). Por otra parte, esta recirculación no evita el que haya de eliminarse el ozono que permanece finalmente, y cuya concentración final en el aire no debe ser superior a 2 mg/m3.

4.2.4. PRECAUCIONES DE EMPLEO

Debe tenerse en cuenta la distancia a la que se encuentran los primeros usuarios del agua tratada por ozono. El ozono es un gas inestable en solución acuosa, pero, cuando el contenido en ozono residual libre es de 0,4 g/m3 de agua a la salida de la torre de contacto, todavía se detectan trazas en el agua, al cabo de más de media hora; igualmente, cuando es corto el tiempo de contacto en el depósito de agua tratada, a veces los usuarios próximos a la estación de tratamiento tienen problemas de corrosiones. En tal caso, se recomienda neutralizar el ozono en exceso que contiene el agua que ha de distribuirse. También puede darse el caso de que el agua permanezca cierto tiempo en el depósito de agua tratada y los usuarios se encuentren alejados de la planta de tratamiento. En este caso, el contenido de ozono residual en la red es nulo. En ausencia de desinfectante residual, pueden producirse desarrollos planctónicos o bacterianos en la red. Después de la ozonización, generalmente se procede a una inyección, en pequeña dosis, de un desinfectante de acción persistente, con el fin de evitar estas proliferaciones. Puede utilizarse, para ello, cloro o dióxido de cloro, sin peligro de que se produzcan nuevos sabores, puesto que el ozono ha oxidado previamente las materias orgánicas que podrían ser causa de los mismos. La acción del ozono puede variar en función de la temperatura; a veces se comprueba que, a temperaturas inferiores a 5 el ozono sólo tiene una acción reducida sobre los componentes que dan origen a sabores. Por esta razón, suele ser conveniente, cuando tiene que tratarse un agua a temperatura variable, combinar la acción del ozono con la del carbón activo.

4.2.5. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN

Determinación de ozono en el agua. • Método colorimétrico: ver análisis 214 B página 908. • Método volumétrico: el ozono libera el yodo de una solución de yoduro potásico, yodo que se valora seguidamente mediante una solución de arsenito potásico o de tiosulfato sódíco. A un litro de agua que haya de analizarse, se añaden 10 cm3 de una solución de yoduro potásico al 10 % y un poco de tiodeno, o bien 4 cm3 de engrudo de almidón. Se agita esta mezcla para hacerla homogénea. Por medio de una bureta, se vierte gota a gota una solución N/35,5 de arsenito sódico o de tiosulfato sódico, hasta decoloración del líquido valorado. Si n es el número de cm3 de solución valorante utilizada, el contenido en ozono es igual a n x 0,676 mg/l. Nota: la valoración, por medio de una solución reductora, del yodo liberado, da la suma de oxidantes presentes en el agua. En el casó de que el agua a analizar contenga además cloro en solución, se procede a dos valoraciones: una sobre los dos oxidantes y la otra después de la eliminación del ozono, mediante glicocola. La diferencia entre las dos valoraciones da el contenido en ozono del agua. Determinación de ozono en el aire • Método espectrofotométrico: consiste en medir, con un aparato especial mente adaptado para este uso, la absorción por el ozono de una radiación ultravioleta. El aparato puede funcionar en continuo y da la concentración de ozono en el aire o el oxígeno que lo alimenta. • Método químico: consiste en hacer barbotar un volumen de gas, medido a la salida del aparato de barboteo, mediante un contador, en una solución de yoduro potásico y valorar a continuación, en medio ácido, el yodo liberado por una solución de tiósulfató sódico. Sí V es el volumen en N litros de gas secó que ha atravesado el contador, T la normalidad del tiósulfato sódico y x el volumen de este reactivo vertido para decolorar la solución de yodo, la concentración de ozono en el gas viene dada, en mg/l, por

5. OTROS PROCEDIMIENTOS 5.1. Empleo de permanganato potásico Este reactivo relativamente costoso (2,5 a 3 veces mas caro que el cloro) se utiliza sobre todo, actualmente, en pretratamiento, para la eliminación del manganeso en solución en el agua. Su acción frente al hierro y el manganeso es más eficaz que la del cloro, siendo independiente del contenido de estos dos metales en el agua.

El permanganato potásico, debido a su escasa eficacia, no se utiliza como desinfectante en estaciones de tratamiento de agua. Sin embargó, se emplea, a veces, a pesar de la dificultad que presenta su disolución, para la desinfección, antes de poner o volver a poner en servicio depósitos y tuberías de distribución, con una dosis de 30 g/m3 y un tiempo de contacto de 24 horas cómo mínimo. 5.2. Empleo de bromo Debido a sus propiedades antisépticas y algicidas, el bromo se utiliza para la desinfección de aguas de piscina. La dosis mínima residual que debe respetarse es de 0,4 g/m3. A esta dosis, y cualquiera que sea el pH, no comunica olor al agua ni provoca irritación en los ojos. Se ha comprobado, sin embargó, en casos de gran frecuentación y variaciones bruscas, que es preciso llevar el contenido de bromo residual hasta 2 g/m3, para conseguir una desinfección que ofrezca las debidas garantías. 5.3. Empleo de una mezcla cloro-bromo Algunos autores consideran que, en el tratamiento de aguas de piscina, el empleó de una mezcla al 95 % de cloro y al 5 % de bromo facilita la eliminación de las bacterias coliformes: parece ser que el bromo se combina con las materias orgánicas aportadas por los bañistas, en tanto que el cloro se utiliza para la eliminación de los coliformes. Se propone esta técnica, asimismo, para la desinfección de aguas residuales. Los rayos ultravioletas se producen por lámparas de vapor de mercurio a muy baja presión, cuya potencia puede alcanzar 200 vatios y cuya duración media de vida es de 2000 a 4000 horas. Las longitudes de onda están comprendidas entre 200 y 300 nm (2000 y 3000 ángstrom) correspondiendo la máxima acción microbicida a unos 250 nm. El agua a tratar debe circular por las proximidades de la lámpara, en una corriente del menor espesor posible, ya que los rayos ultravioletas son absorbidos rápidamente por el agua, la cual deberá ser completamente clara. Una lámpara de 36 vatios puede desinfectar 3 m3/h, con un espesor de lámina de agua de 15 a 20 cm. En la práctica, para que la desinfección sea suficientemente rápida, se calcula que el consumo de energía debe ser de 40 Wh/m3. El agua a tratar está generalmente a presión: se le hace pasar por el interior de un tubo en cuyo centro se encuentra otro tubo de cuarzo que envuelve la lámpara emisora. De esta forma, el agua que debe desinfectarse se encuentra expuesta a las radiaciones germicidas en las condiciones indicadas de pasó en lámina delgada. 5.5. Desinfección con plata Este proceso electrolítico de desinfección (oligodinámica), por ahora no bien conocido, exige que la plata se encuentre presente en estado iónico Se trata de un procedimiento cuya aplicación es muy discutida, pero que a veces se utiliza en tratamiento de agua de

piscinas. 5.6. Desinfección por radiaciones ionizantes Este proceso está experimentando actualmente un cierto desarrollo para la desinfección de aguas residuales urbanas. Cómo fuente ionizante, se utiliza principalmente el cobalto 60, cuya actividad específica es de 25 Ci/g. Se presenta en forma de cilindros de 4 cm de diámetro y de altura variable según la actividad. El agua a tratar circula en unas vainas que rodean las fuentes empotradas, de forma que se evite toda contaminación radiactiva. Según la literatura, las intensidades de radiación deben ser las siguientes:

- en desinfección: 450 kilorad con 105Ci/(m3•h). - en esterilización total: 4,5 megarad con 106Ci/(m3•h);

El rendimiento medio de la instalación estaría comprendido entre el 70 y el 90 %.

Fig. 294.- Desinfección por rayos ultra violetas.