INVESTIGACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA SOBRE DESINFECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES

405 Pages·2012·7.67 MB·English

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL: ORDENACIÓN

DEL TERRITORIO, URBANISMO Y MEDIO AMBIENTE
E.T.S.I. DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

´´INVESTIGACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA SOBRE
DESINFECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES POR SISTEMAS DE
OXIDACIÓN´´
Tesis Doctoral

GERARDO ENRIQUE GORDILLO DE COSS
Ingeniero Civil

Directores
AURELIO HERNÁNDEZ MUÑOZ
Prof. Emérito Dr. Ing. De Caminos, Canales y Puertos
AURELIO HERNÁNDEZ LEHMANN
Dr. Ing. De Caminos, Canales y Puertos

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RESUMEN

Un incremento de la demanda del agua, junto con el aumento de la contaminación, ha
provocado que hoy en día la reutilización de las aguas depuradas sea necesaria, pero la
reutilización de aguas debe garantizar y minimizar los posibles riesgos sanitarios y
medioambientales que su práctica pueda provocar. En España estos parámetros se encuentran
regulados por el RD 1620/2007 relativo al régimen jurídico de la reutilización de las aguas
depuradas.

Las aguas regeneradas son aguas que ya han sido sometidas a un tratamiento de depuración, y a
las cuales se aplica un posterior tratamiento adicional o complementario que permita adecuar
su calidad al uso al que vaya a destinarse. Siendo requeridos para los distintos reúsos procesos
de desinfección, uno de los principales sistemas utilizados es el cloro, debido a su sencilla
aplicación y costos bajos, sin tomar en cuenta la posible formación de compuestos
organohalogenados potencialmente cancerígenos.

Es por esto que surge la necesidad de aplicar distintos sistemas de oxidación objeto de estudio
en esta tesis, como el dióxido de cloro estabilizado, ozono y los procesos avanzados de
oxidación (Advanced Oxidation Processes, AOP), ozono/peróxido y uv/peróxido.

En esta tesis se investiga los rendimientos que pueden alcanzar estos sistemas en la eliminación
de los ácidos húmicos y los fenoles, siendo las principales sustancias formadoras de
subproductos de la desinfección, así mismo, se considera necesario garantizar la desinfección
del agua a través del estudio de tres grupos de microrganismos, los coliformes totales, e. coli y
enterococos, siendo un punto importante el posible recrecimiento microbiológico debido a una
desinfección escasa, por la permanencia en el agua de los compuestos antes mencionados, o
por alguna fuente de alimento que pudieran encontrar en el sistema de distribución.

1
Lo más importante será la calidad que se pueda alcanzar con estos desinfectantes, con el fin de
obtener agua para los distintos reúsos que existen en la actualidad. Y así no limitar los alcances
que puede tener la reutilización de las aguas residuales.

Basándose en lo antes mencionado se procedió a realizar la caracterización del agua del rio
Manzanares, con el fin de determinar la cantidad de ácidos húmicos disueltos y fenoles,
obteniendo valores bajos, se decidió incorporar a las muestras de rio 5 mg/L de estos
compuestos, con el fin de observar de que manera podrían interferir en la desinfección de esta
agua.

De esta forma se logran obtener resultados óptimos de los sistemas de desinfección estudiados,
siendo el Ozono un oxidante eficiente en la desinfección de los microrganismos y en la
eliminación de ácidos húmicos y fenoles con tiempos de contacto cortos, mostrando
deficiencias al permitir el recrecimiento de los coliformes totales.

Del sistema de oxidación avanzada UV/Peróxido se determino como un eficiente desinfectante
para garantizar la inexistencia de rebrotes, al paso del tiempo. Así mismo se concluye que tiene
buenos rendimientos en la eliminación del ácido húmico y los fenoles.

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ABSTRACT

An increase in water demand, coupled with increasing pollution, has caused today reuse of
treated water is necessary, but must ensure water reuse and minimize potential health and
environmental risks that their practice is cause. In Spain these parameters are regulated by
Royal Decree 1620/2007 on the legal regime of the reuse of treated water.

The reclaimed water is water that has already been subjected to a depuration treatment, which
is applied as a subsequent further treatment that will bring quality to the use to which is to be
delivered. As required for various reuses disinfection processes, one of the main systems used is
chlorine, due to its simple implementation and low costs, without taking into account the
possible formation of potentially carcinogenic halogenated organic compounds.

That is why there is a need to apply different oxidation systems studied in this thesis, as
stabilized chlorine dioxide, ozone and advanced oxidation processes (AOP), ozone/peroxide
and UV/peroxide.

This thesis investigates the rates can reach these systems in removing humic acids and phenols,
the main substances forming disinfection byproducts, likewise, it is considered necessary to
ensure water disinfection through the study of three groups of microorganisms, total coliform,
e. coli and enterococci, the important point being a possible regrowth due to microbiological
disinfection scarce, the water remaining on the aforementioned compounds, or a food source
which may be found in the distribution system.

The most important quality is that achievable with these disinfectants, with the water to obtain
various reuses that exist today. And thus not limit the scope that can be reuse of wastewater.
Based on the above we proceeded to perform characterization Manzanares river water, in order
to determine the quantity of dissolved humic acids and phenols, obtaining low values, it was
decided to incorporate river samples 5 mg / L of these compounds, in order to observe how
they might interfere with the disinfection of the water.
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Thus optimum results are achieved for disinfection systems studied, being efficient ozone
oxidant in the disinfection of microorganisms and the removal of humic acids and phenols
with short contact times, showing gaps to allow regrowth total coliforms.

Advanced oxidation system UV / peroxide were determined as an efficient disinfectant to
ensure the absence of volunteers, the passage of time. Also it is concluded that has good yields
in removing humic acid and phenols.

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ÍNDICE

CAPITULO 1 – ANTECEDENTES .................................................................................................... 11
1.1 PRESENTACIÓN ..................................................................................................................... 11
1.2 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 12
CAPITULO 2 – GENERALIDADES................................................................................................... 13
2.1 MICRORGANISMOS EN LAS AGUAS RESIDUALES .................................................................... 13
2.1.1 LOS VIRUS ..................................................................................................................................... 15
2.1.2 ENFERMEDADES PRODUCIDAS POR LAS BACTERIAS EN LAS AGUAS ............................................ 21
2.1.3 OTRAS ENFERMEDADES TRANSMITIDAS POR VÍA ACUÁTICA ...................................................... 22
2.2 SUSTANCIAS PRECURSORAS DE SUBPRODUCTOS DE LA DESINFECCIÓN ................................... 23
2.2.1 MATERIALES ACUÁTICOS HÚMICOS ............................................................................................. 23
2.2.2 ÁCIDOS HÚMICOS ........................................................................................................................ 26
2.2.3 COMPUESTOS FENÓLICO ............................................................................................................. 28
2.3 ACCIÓN DEL CLORO EN LAS AGUAS RESIDUALES ..................................................................... 31
2.4 DESINFECCIÓN POR OZONO .................................................................................................. 34
2.4.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA OZONIZACIÓN ......................................................................... 36
2.5 SISTEMAS DE OXIDACIÓN AVANZADA ................................................................................... 40
2.6 REUTILIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES POSIBLES USOS ......................................................... 44
CAPITULO 3 - OBJETIVOS INÍCIALES ............................................................................................. 47
CAPITULO 4 – INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 48
4.1 ACCESO A LA INFORMACIÓN ................................................................................................. 48
4.2 PALABRAS CLAVES ................................................................................................................ 48
4.3 SELECCIÓN DE LA DOCUMENTACIÓN ..................................................................................... 48
4.4 INVESTIGACIÓN DE LA DOCUMENTACIÓN RECIBIDA ............................................................... 49
4.4.1 EN CUANTO AL CLORO Y SUS DERIVADOS: ................................................................................... 49
4.4.2 EN CUANTO AL OZONO: ............................................................................................................... 63
4.4.3 EN CUANTO A LOS TRATAMIENTOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN (AOP): .................................... 80
4.4.4 SUBPRODUCTOS DE LA DESINFECCIÓN ........................................................................................ 92
4.4.5 PARÁMETROS DE CALIDAD EN REUTILIZACIÓN DE AGUAS ........................................................ 113
4.5 FRONTERA DEL CONOCIMIENTO .......................................................................................... 134
4.5.1 NIVEL DE RESPUESTA APORTADO POR LA INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA .............................. 134
5
CAPITULO 5 – OBJETIVOS DEFINITIVOS ..................................................................................... 141
CAPITULO 6 – METODOLOGÍA .................................................................................................. 142
6.1 PARÁMETROS ..................................................................................................................... 142
6.2 TÉCNICA ANALÍTICA DE PARÁMETROS ................................................................................. 143
6.2.1 FÍSICOS, QUÍMICOS Y ORGANOLÉPTICOS ................................................................................... 143
6.2.2 BIOLÓGICOS ............................................................................................................................... 163
6.2.3 DESINFECTANTES ....................................................................................................................... 167
6.3 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS .................................................................................................. 168
6.3.1 ENSAYOS CHOQUE ..................................................................................................................... 168
6.3.2 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS ......................................................................................................... 172
6.3.3 FOTOGRAFÍAS DE LA METODOLOGÍA ......................................................................................... 175
6.3.4 PLANIFICACIÓN DEL TRABAJO ANALÍTICO Y EXPERIMENTAL ..................................................... 181
CAPITULO 7 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ........................................................................... 182
CAPITULO 8 ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................... 184
8.1 ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA DE AGUA DE RIO ........................................................................ 185
8.1.1 DATOS ESTADÍSTICOS DESCRIPTIVOS DEL AGUA DE RIO ............................................................ 185
8.1.2 DATOS ESTADÍSTICOS DESCRIPTIVOS DEL AGUA DE RIO + ÁCIDOS HÚMICOS Y FENOLES ......... 188
8.2 RENDIMIENTOS DE ELIMINACIÓN DE MICRORGANISMOS .................................................... 192
8.3 RENDIMIENTOS DE ELIMINACIÓN DE ÁCIDOS HÚMICOS, COLOR Y FENOL .................. 229
8.4 MODELIZACIÓN DE LOS RESULTADOS .................................................................................. 237
8.4.1 MICRORGANISMOS .................................................................................................................... 237
8.4.1 DIÓXIDO DE CLORO ESTABILIZADO ............................................................................................ 239
8.4.2 OZONO ....................................................................................................................................... 241
8.4.3 OZONO/PERÓXIDO ..................................................................................................................... 243
8.4.4 UV/PERÓXIDO ............................................................................................................................ 245
CAPITULO 9 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 247
9.1 DIÓXIDO DE CLORO ESTABILIZADO ...................................................................................... 249
9.2 OZONO............................................................................................................................... 252
9.3 OZONO/PERÓXIDO ............................................................................................................. 254
9.4 UV/PERÓXIDO .................................................................................................................... 256
ANEJO 1 BIBLIOGRÁFICO .......................................................................................................... 261
ANEJO 2 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ................................................................................ 268
A.2.1 CARACTERIZACIÓN DE AGUA DE RIO ................................................................................ 268
6
A.2.2 DESINFECCIÓN DE MUESTRAS DE AGUA DE RIO ................................................................ 269
A.2.2.1 MICRORGANISMOS CON LOS DISTINTOS SISTEMAS DE DESINFECCIÓN ................................. 269
A.2.3 CARACTERIZACIÓN DE AGUA DE RIO + ÁCIDO HÚMICO + FENOL ............................................. 278
A.2.4 DESINFECCIÓN DE MUESTRAS DE AGUA DE RIO + AH + F .................................................... 279
A.2.4.1 RENDIMIENTOS DISTINTOS SISTEMAS DE DESINFECCIÓN ...................................................... 279
A.2.5 DESINFECCIÓN DE MUESTRAS DE AGUA DE RIO + ALIMENTO ............................................. 288
A.2.5.1 RENDIMIENTOS DISTINTOS SISTEMAS DE DESINFECCIÓN ...................................................... 289
A.2.6 DESCONTAMINACIÓN DE AH, COLOR Y FENOL, CON AGUA PREPARADA ............................ 297
A.2.6.2 DIÓXIDO DE CLORO ................................................................................................................. 297
A.2.6.3 OZONO .................................................................................................................................... 298
A.2.6.3 OZONO/PERÓXIDO ................................................................................................................. 299
A.2.6.3 UV/PERÓXIDO ......................................................................................................................... 300
ANEJO 3 ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................................................... 301
A.3.1 ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA DE AGUA DE RIO ..................................................................... 301
A.3.1.1 DATOS ESTADÍSTICOS DESCRIPTIVOS DEL AGUA DE RIO ......................................................... 301
A.3.1.2 ANÁLISIS DE FRECUENCIA ................................................................................................... 302
A.3.2 ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA DE AGUA DE RIO + AH + FENOL ................................................ 321
A.3.2.1 DATOS ESTADÍSTICOS DESCRIPTIVOS DEL AGUA DE RIO + AH + FENOL .................................. 321
A.3.2.2 ANÁLISIS DE FRECUENCIA ................................................................................................ 322
A.3.3 ANÁLISIS DE LOS COSTES DE DESINFECCIÓN ...................................................................... 343
A.3.4 ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL PARA AH, COLOR, FENOL Y PARÁMETROS DE CONTROL .... 344
A.3.3.2 DIOXIDO DE CLORO ................................................................................................................. 344
A.3.3.3 OZONO .................................................................................................................................... 353
A.3.3.4 OZONO/PERÓXIDO ................................................................................................................. 365
A.3.3.5 UV/PEROXIDO ......................................................................................................................... 375
A.3.5 REGRESIÓN LINEAL AH, COLOR Y FENOLES AGUA PREPARADA DE LABORATORIO ............... 386
A.3.4.2 DIÓXIDO DE CLORO ................................................................................................................. 386
A.3.4.3 OZONO .................................................................................................................................... 389
A.3.4.4 OZONO/PERÓXIDO ................................................................................................................. 395
A.3.4.5 UV/PERÓXIDO ......................................................................................................................... 400

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.2.1 Enfermedades hídricas originadas por virus. 20
Tabla 2.1.2 Enfermedades hídricas originadas por bacterias. 22
Tabla 2.1.3 Enfermedades hídricas originadas por protozoos, helmintos y toxinas 23
Tabla2.3.1 Resumen características de los distintos tipos cloro 36
Tabla 2.4.1 Características principales de algunos oxidantes 40-42
Tabla 2.5.1 Potencial de oxidación 43
Tabla 2.5.2 Agrupación de tratamientos avanzados de oxidación 44
Tabla 4.4.1 Modo de actuación de sistemas de cloración 52
Tabla 4.4.2 Tabla de dosis eliminación de Cryptosporidium 54
Tabla 4.4.3 Costo para distintos sistemas de cloración 56
Tabla 4.4.3.1 Síntesis comparativa de resultados obtenidos de diferentes desinfectantes
aplicados en efluentes terciarios 57
Tabla 4.4.4 Costos de sistemas de desinfección 57
Tabla 4.4.5 Costo de la desinfección por cloro 57
Tabla 4.4.6 Influencia de diversos factores en la inactivación de patógenos y en la formación de
subproductos de la desinfección 62
Tabla 4.4.7 Características del agua residual que afectan la eficiencia de la cloración 63
Tabla 4.4.7.1. Ejemplos de desinfectantes, modo de acción y aplicaciones sobre los
microrganismos en aguas residuales. 67
Tabla 4.4.8 Poder desinfectante del ozono frente a distintos gérmenes 68
Tabla 4.4.9 Modo de acción del ozono 71
Tabla 4.4.10 Parámetros cinéticos de inactivación de microrganismos con ozono (pH=7) 71
Tabla 4.4.11 Microrganismos eliminados por ozono 73
Tabla 4.4.12 Costo de desinfección para coliformes fecales por ozono 74
Tabla 4.4.13 estimación de costos típicos de un sistema de ozonización 75
Tabla 4.4.14 Costos de unitarios de los productos químicos de desinfección 76
Tabla 4.4.15 Costo de un tratamiento por ozono 76
Tabla 4.4.16 Eficacia de AOP ante distintos grupos de microrganismos 81
Tabla 4.4.17 concentración/tiempo ozono y peroxono para inactivación de Giardia Muris 85
Tabla 4.4.18 Costos de operación para AOP 86
8
Tablas 4.4.19 Costos de AOP para distintos contaminantes 87-88
Tabla 4.4.19.1 Costos de ozono, ozono/peróxido y uv/peróxido 88
Tabla 4.4.19.2 Costo de reactivos para AOP 89
Tabla 4.4.19.3 Costo de reactivos con UV AOP 89
Tabla 4.4.19.4 Costo de reactivos con UV AOP 89
Tabla 4.4.20 Potenciales redox de algunos agentes oxidantes 91
Tabla 4.4.21 Constantes de velocidad de eliminación para algunos contaminantes 92
Tabla 4.4.22 Demanda de cloro y producción de CHCl 96
3
Tabla 4.4.23 Subproductos del dióxido de cloro con ácidos húmicos y bromo 106
Tabla 4.4.24 Subproductos provocados por el dióxido de cloro 107
Tabla 4.4.25 Estimación de DBP de cloro sobre la salud en muestras de USA 110
Tabla 4.4.26 Consumo Tolerable/Día, Niveles de DBP selectos 111
Tabla 4.4.26.1 Trabajos realizados sobre DBP con AOP 112
Tabla 4.4.27 Resumen de calidad tipos de uso 118
Tabla 4.4.28 Calidad riego de parques y jardines públicos OMS 119
Tabla 4.4.29 Tratamientos recomendados por la OMS según criterios de calidad sanitaria en
las aguas recicladas 120
Tabla 4.4.30 Parámetros de calidad para riego EPA 121
Tabla 4.4.31 Parámetros de calidad para fines recreativos 123
Tabla 4.4.32 Parámetros de calidad agua de riego según Cuba 125
Tabla 4.4.33 Parámetros de calidad agua de riego según EPA 126
Tabla 4.4.34 parámetros exigidos para distintas calidades 134
Tabla 4.5.1 Frontera del conocimiento, objetivos iniciales 141
Tabla 6.2.1 Características de electrodo para pH 144
Tabla 6.2.2 Características de electrodo REDOX 145
Tabla 6.2.3 Cantidad de reactivo para DQO 148
Tabla 6.2.5 Curva de calibrado DQO 150
Tabla 6.2.6 Pautas generales para muestras metodología ácidos húmicos 155
Tabla 6.2.6 Curva calibrado fenoles 160
Tabla 6.2.7 Curva de calibrado color 163
Tabla 6.3.1 Curva de calibrado ácido húmico 170
Tabla 6.3.2 Dosis de desinfección utilizadas 172
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