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                                                           EL OZONO EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA

 

 INTRODUCCION

     El ozono fue descubierto en 1785 por Van Mauten y es en 1857 cuando Werner von Siemens diseña un generador de ozono. En 1893 se usó por primera vez para desinfección del agua en Holanda, y 1906 se aplica en una planta de tratamiento en Niza por la Compagnie Générale des Eaux de Bon Voyage . En los últimos 25 años, los mayores avances y desarrollos en este campo, han propiciado una importante mejora en los equipos productores y un  mayor empleo en la desinfección del agua.

El ozono, forma alotrópica del oxígeno, es un oxidante muy enérgico, es utilizado como tal en la desinfección del agua, está comprobada  su eficacia en oxidación de materias orgánicas e inorgánicas (entre éstas ultimas destacan el hierro y manganeso). Su poder oxidante y desinfectante, mayor que el del cloro, le hace más eficaz que éste en la eliminación del olor, sabor y color del agua, así como en la eliminación de bacterias, virus y otros microorganismos. Su potencial de oxidación es 2,07 voltios, mientras el del cloro es 1,36 voltios, (el del dióxido de cloro es 0,95 V, el del permanganato potásico es 1,68 V, el del agua oxigenada es 1,76 V)

                                        ACCION DEL OZONO SOBRE  E.COLI

La ozonización (algunos llaman ozonación) es una buena alternativa a la cloración, (principalmente en la preoxidación), cuando en el agua hay fenoles y otras sustancias orgánicas precursoras de trihalometanos. Los fenoles por la adición de cloro forman clorofenoles de sabor y olor muy desagradables, aún en concentraciones tan pequeñas como 0,01 mg./l..Los precursores de trihalometanos suelen ser sustancias orgánicas naturales como los ácidos húmicos , fúlvicos y tánicos, generalmente de procedencia vegetal , que a la vez comunican a las aguas superficiales una determinada coloración. Sobre estas sustancias orgánicas, con enlaces dobles entre átomos de carbono, actúa el ozono rompiéndolos y a medida que esto sucede, no solo el color va desapareciendo, sino que los propios precursores de los trihalometanos se van eliminando.

El ozono se utiliza en el tratamiento del agua desde hace más de 100 años, y si su empleo en este campo no está más extendido es debido a su mayor costo con respecto a los otros desinfectantes generalmente empleados, sin embargo y debido a las mayores exigencias en las distintas reglamentaciones, especialmente en la reducción de subproductos derivados de la desinfección, está originando un mayor interés en la aplicación de sustancias que originen menos subproductos en el agua, así como una mayor reducción del sabor y olor del agua tratada. El ozono es más potentey de más rápida acción como desinfectante que el cloro, el dióxido de cloro y las cloraminas.

Es un oxidante fuerte y sus reacciones se realizan dos mecanismos: 1) reacciones directas que atacan a los dobles enlaces y algunos grupos funcionales; 2) reacciones indirectas son son debidas  a la acción de los radicales hidroxilos que se originan al  descomponerse el ozono en el agua.

En la potabilización del agua el ozono se puede aplicar en las diferentes fases o etapas del proceso: Como preozonización se realiza al comienzo del tratamiento incorporandolo al agua bruta, con lo cual  a la vez que se realiza una primea desinfección se puede eliminar el hierro y manganeso y también ayudar al proceso de coagulación, especialmente en aguas con elevada dureza. Como ozonización intermedia se puede aplicar antes de la filración y en este caso además de oxidar a la materia orgánica natural favorece su eliminación biológica en los filtros de arena. Como postozonización se emplea en la fase final a la salida de la planta. A veces suele utilizarse simultaneamente en dos de las etapas de tratamiento o en las tres mencionadas.

El ozono actúa de forma muy eficaz en la eliminación de numerosas sustancia que dan  olor y sabor al agua, a este respecto estas sustancias se pueden englobar en varios grupos: 1) Compuestos inorgánicos que originan sabor como el hierro, manganeso, cobre y cinc y compuestos inorgánicos que dan olor como es el caso del ión sulfhídrico SH- . 2) Compuestos orgánicos, subproductos del metablolismo de ciertas algas  cianofíceas y actinomicetos, como la geosmina y el 2-metilisoborneol (MIB), así como de otras que originan principalmente alcoholes, aldehidos aromáticos, cetonas y esteres. También la oxidación de algunos aldehidos precisamente con el ozono originan sustancias que provocan olor y sabor. 3) Contaminantes de origen industrial como pesticidas, disolventes, etc. 4) Subproductos generados al reaccionar el cloro residual con materia orgánica ya sea en la planta o en la planta o en la red de distribución.

Para eliminar la mayor parte de estos compuestos se muestra muy eficaz la combinación de la ozonización y la filtración sobre carbón activo así como también muestran gran eficacia los procesos de oxidación avanzada (AOP), combinando el ozono con agua oxigenada o con radiaciones ultravioleta. En relación con la ozonización y filtración sobre carbón activo hay que señalar que en muchos casos la capacidad de adsorción del carbón activo se ve disminuida cuando se aplica la ozonización previa sobre algunos tipos de materia orgánica natural del agua (MON), ya que si por un lado es cierto que la ozonización es favorable al  fraccionamiento de la MON dando moléculas de menor peso molecular, más facilmente adsorbibles sobre el carbón activo, por otra parte hay que considerar que generalmente estas moléculas de menor peso molecular provocan un aumento de la acidez y una mayor solubilidad en el agua, lo cual origina una mayor dificultad para ser adsorbidas por el carbón activado. Por tanto en estos casos de efectos contrapuestos, lo más conveniente suele ser conjugar y valorar ambos efectos. La preozonización es favorable para la adsorción de los ácidos húmicos sobre el carbón y sin embargo la preozonización influye en menor medida en la adsorción de los ácidos fúlvicos. La ozonización de las sustancias húmicas puede dar lugar generalmente a un descenso el formación potencial de trihalometanos(THMFP), aunque hay que señalar que en ciertos casos en aguas con elevados contenidos de ión bromuro, la ozonización de estas aguas favorece la formación de trihalometanos bromados como resultado de la oxidación del ión Br ­ para formar BrOH.

El ozono se forma de manera natural en los niveles altos de la atmósfera por la acción de las radiaciones UV procedentes del Sol, que produce la disociación iónica de la molécula de oxigeno y la reacción posterior de los iones formados con nuevas moléculas de oxigeno. A niveles más bajos de la atmósfera, se forma ozono gracias a la energía desarrollada por las descargas eléctricas en las tormentas, transformando el oxigeno en ozono.

 

 También puede generarse ozono en el arco producido en el proceso de soldadura y cuando algunos componentes de los gases de escape de los automóviles e industrias, reaccionan con la luz del Sol. El ozono es 12,5 veces más soluble en agua que el oxigeno. La solubilidad del ozono en agua depende de la temperatura de ésta y de la concentración de ozono en la fase  gaseosa.En el cuadro siguiente se reflejan datos de solubilidad

Concentración

        O3

 5 ºC

 10ºC

15ºC

 20 ºC

       1,5 %

11,10

9,75

8,40

6,43

          2 %

14,80

13,00

11,20

8,57

          3 %

22,18

19,50

16,80

12,86

       Es muy inestable, motivo este que obliga a generarle insitu, en la propia planta de tratamiento de agua. Se descompone rápidamente, volviendo a originar oxigeno diatómico. La mitad de la vida del ozono en el aire es de unos 20 minutos en el agua es muy variable, dependiendo de diversos factores ( temperatura, pH , sustancias presentes en el agua, etc.), puede variar de 1 minuto hasta 300 minutos. A igualdad de condiciones es más estable  en agua que en el aire. Es 1,3 veces más denso que el aire. He aquí algunas otras propiedades físicas del ozono:

Peso molecular       ……………………….48

Temperatura de condensación   ………-112 ºC

Temperatura de fusión…….………….  - 192,5 ºC

Densidad....……………………………… 1,32

Densidad (liquido a – 182 ºC)…………..1,572 gr/ml

Peso de un litro de gas (a 0º y 1 atm.)…1,114 gr.

Debido a las propiedades altamente oxidantes del ozono,éste es un irritante que afecta especialmente los ojos y el sistema respiratorio, y puede ser peligroso aun en concentraciones bajas. Para proteger a los trabajadores potencialmente expuestos al ozono, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de

los Estados Unidos (OSHA, en inglés) ha establecido un límite de exposición permisible (PEL, en inglés) de 0.1 μmol/mol (29 CFR 1910.1000 Tabla Z-1), que es calculado como un promedio ponderado de ocho horas. Los ámbitos ocupacionales en los que se utiliza el ozono o en los que es probable que se produzca

deberán tener una ventilación adecuada, y es prudente contar con un monitor de ozono que haga sonar una alarma cuando se exceda el PEL de la OSHA.

Un sistema de ozonización del agua comprende fundamentalmente tres instalaciones o equipos : Generación de ozono (ozonizador), contacto del ozono con el agua (contactor) que suele realizarse bien por difusores de burbuja o mediante inyectores del tipo Venturi y el destructor del ozono residual liberado o desprendido de las cámaras de mezcla que se suele realizar por destrucción térmica o bien por destrucción catalítica con catalizadores de paladio, oxido de niquel o manganeso.

 

   

  CÁMARA DE CONTACTO CON DEFLECTORES                                     DIFUSOR DE TURBINA

  OZONIZADORES

      En la producción industrial de ozono puede partirse de aire u oxigeno puro. Cuando se utiliza aire, la concentración de ozono a la salida del ozonizador varía entre el 1 y el 4 por ciento y si se emplea oxigeno puro, la concentración suele oscilar entre el 4 y el 12 por ciento en peso. En cualquier caso, el ozono en su empleo industrial, ya sea  partiendo del aire o del oxigeno puro, se obtiene por descarga eléctrica alterna de alta tensión y/o frecuencia, para evitar la formación de un arco eléctrico (descarga eléctrica silenciosa), entre dos electrodos separados  por un medio dieléctrico, generalmente vidrio.

           En los ozonizadores industriales, los dos electrodos son tubos concéntricos, el exterior de acero inoxidable y el interior  un tubo de vidrio, que consta de una fina capa metálica depositada en la cara interna.   

                             

                             

             

                                   

El ozonizador está integrado por múltiples conjuntos de estos pares de tubos concéntricos.

 La reacción de formación del ozono es

3 O2   =   2 O  +   0,82 Kwh. / Kg 

 Como alrededor del 80 al 90 por ciento de la energía se convierte en calor, el conjunto de electrodos conectados a tierra están refrigerados por agua .

        Los generadores industriales de ozono se fabrican generalmente de dos tipos , el de tubos concéntricos y el de placas, las configuraciones  pueden ser , vidrio-vidrio , o metal-vidrio. En la figura siguiente se representan ambas configuraciones y un ozonizador  tubular  con un electrodo de vidrio y otro metálico, que es el más empleado.                                                                                 

                                    

La producción de ozono en estos equipos, está sujeta a una serie de  parámetros interrelacionados ,que influyen en gran medida en la eficaz generación o producción de ozono y que podrían reunirse en tres grupos :  

            Parámetros del sistema : Fundamentalmente son, 1) longitud del sistema de descarga , 2) anchura del espacio de descarga y 3) configuración y espesor del dieléctrico.

Parámetros del proceso : Estos quedan abarcados principalmente en la concentración y producción del ozono y el rendimiento o necesidades de energía específica.

Parámetros operacionales . Estos son más numerosos, los principales son: 1) tensión , 2) tipo de tensión , 3) frecuencia, 4) densidad de potencia, 5) presión de trabajo, 6) temperatura de trabajo, 7) velocidad de corriente del gas, 8) composición y humedad del gas empleado.

Un somero análisis de estos últimos parámetros operacionales nos pone de manifiesto su influencia.

          Tensión: Al aumentar esta se eleva la producción de ozono y a la vez las necesidades de potencia específica.

         Tipo de tensión: La tensión de onda cuadrada supone unas condiciones, en la generación de ozono, mayores a las de onda sinusoidal.

         Frecuencia: A mayor frecuencia, mayor producción.

         Densidad de potencia: A mayor densidad de potencia, mayor producción.

         Presión de trabajo: Para presiones entre 1 y 2 bares, el rendimiento aumenta al disminuir la presión.

         Temperatura de trabajo: Las altas temperaturas, en general, aumentan la descomposición de ozono.

         Velocidad de corriente y concentración del gas: El aumento de la velocidad de la corriente de gas y la disminución de la concentración hace aumentar el rendimiento.

         Composición y humedad: Al aumentar la concentración o contenido de oxigeno del gas de entrada, en general , aumenta el rendimiento. Este disminuye por el contrario al aumentar la humedad del gas de entrada.

            Partiendo de aire, este es suministrado al ozonizador a presión y exento de polvo y humedad, lo cual requiere compresores, filtros y otras unidades más complejas de secado de este aire. La mezcla de aire ozonizado, que es lo que realmente sale del ozonizador, se conduce hasta las cámaras de contacto, donde se encuentra el agua a tratar, obligándole a salir a través de difusores porosos, con objeto de que las burbujas de gas que se introducen en el agua sean muy finas, o bien mediante difusores de turbina. A las cámaras de contacto de las dota de unos extractores en la parte superior, a fin de recoger  el ozono residual que no se ha consumido en su contacto con el agua y dirigirle hacia un equipo de destrucción, generalmente térmica, transformándose en oxigeno. Después de pasar por las cámaras de contacto, el agua debe contener aún una concentración próxima al 0.1  ppm.  

                         

                                    Esquema de línea de preparación y aplicación de ozono al agua

 Lectura :

1. Compresor  -  2.Tanque de aire - 3.Válvula calibrada - 4.Manómetro - 5. Presostato - 6-Válvula regulación del aire - 7.Termómetro - 8.Refrigerador - 9.Secador de aire - 10.Válvula de expansión - 11.Válvula de cierre - 12.Válvula de solenóide - 13.Higrómetro - 14.Medidor de caudal de aire - 15.Ozonizador - 16. Muestreador del aire seco - 17.Cabina eléctrica - 18.Conmutador de voltaje - 19Válvula de chequeo - 20.Válvula del agua de refrigeración - 21.Transformador - 22.Válvula de drenaje - 23.Termómetro/Termostato - 24.Válvula automática - 25.Tubos difusores - 26.Salida hacia el destructor - 27. Muestreador de aire ozonizado - 28. Caudalímetro monitorizado - 29.Cámara de contacto 

Los equipos ozonizadores que parten de aire, suelen consumir del orden de 14 a 18 Kwh/kg.O3, dependiendo de las diversas instalaciones. Con los modernos recursos de la electrónica, se han llegado a conseguir unas tensiones de explotación de ozonizadores de 10 KV ( para frecuencias entre 600 y 1000 Hz. Partiendo de oxigeno se triplica la eficiencia en la producción de ozono por Kwh. La producción de 1 Kg de ozono, partiendo de oxigeno, supone un consumo de aproximadamente 7 Kwh. .

            Las variables operativas en  la producción de ozono son, la energía aplicada, el caudal del gas de entrada, la temperatura y la eficiencia del propio generador.   

                                                                    

                                                           Destructor térmico de ozono

                                              

       VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA OZONIZACION

 La evaluación del ozono como desinfectante presenta pros y contras, en su comparación con el cloro destacan las siguientes ventajas: a ) Tiene mayor poder oxidante. b) No produce  trihalometanos (en ausencia de bromo) y elimina los precursores de estos. c) Requiere una concentración y tiempo de contacto menor  ( 0,4 ppm durante 4 minutos es una concentración y tiempo de contacto eficaz  para eliminar bacterias y virus), es más efectivo que el cloro, cloraminas y dióxido de cloro para la inactivación de  Cryptosporidium y Giardia. d ) No altera el pH del agua. e ) Mejora la coagulación. f ) Facilita la eliminación del hierro y manganeso y reduce en gran medida el olor, sabor y color del agua.

Como desventajas figuran: a ) Su mayor coste, tanto en los equipos como en los costos de operación (energía eléctrica) a pesar de las menores dosis empleadas. b) Puede formar otros subproductos perjudiciales, entre los que destacan los bromatos y aldehídos. c) No mantiene una concentración residual persistente, lo que obliga a emplear cloro o cloraminas en la desinfección final, si se desea mantener un desinfectante residual. d) Puede formar oxido nítrico ó ácido nítrico, que causaran corrosiones en los equipos. e) Puede llegar a ser necesario el empleo de filtros de carbon activado para eliminar el carbono orgánico biodegradable.   

Al ser el ozono un oxidante fuerte, puede producir trastornos en los tejidos humanos y particularmente en los ojos y pulmones. Hay establecidos unos limites para los ambientes de trabajo que se exponen a continuación.  

       Limite   

   Exposición

 

0,01 - 0,05 ppm

  1 ppm

  3 ppm

 

 

Olor detectable

  8 minutos

15 minutos  

 

Subproductos de la ozonización

 Es difícil que en una desinfección por oxidación la materia orgánica disuelta en el agua pueda pasar a dióxido de carbono y agua.

En el caso del ozono al reaccionar con la materia orgánica natural presente en el agua puede formar subproductos tales como formaldehído, acetaldehído, ácido oxálico, ácido fórmico y otros.

El ozono por si sólo no puede producir subproductos halogenados directamente, pero si hay presencia de iones bromuro y yoduro estos pueden ser oxidados por el ozono dando los halógenos libres correspondientes que posteriormente ya podrían producir subproductos en presencia de cierta  materia orgánica, originando bromoformos, acetonitrilos brominados y otros. Por otra parte la ozonización de aguas que contienen bromuro puede dar lugar a la producción de bromatos

La ozonización de sustancias orgánicas las hace en general más biodegradables que los compuestos iniciales, de forma que si la ozonización se realiza en la etapa final del tratamiento en aguas que contienen sustancias orgánicas disueltas, puede ocasionarse un recrudecimiento bacteriano en el sistema de distribución, siendo aconsejable a veces el empleo de filtración por carbono activado posterior a la ozonización para evitar este inconveniente.        

FICHA INTERNACIONAL DE SEGURIDAD QUIMICA DEL OZONO


Ensayos con ozono . Del libro"Analisis de Aguas y Ensayos de Tratamiento" de R.Marin Calvín.

Desinfección del agua con ozono : Página del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria , con una publicación  preparada para un simposio sobre calidad del agua. Se recoge una introducción sobre la aplicación del ozono en el agua potable y se describe la implantación de la ozonización en la Planta de Tratamiento de Agua de Ann Arbor, Michigan 

Información sobre ozono : Página, en inglés, de la empresa DEL Industries - Sistemas de purificación del agua con ozono.

Desinfección : Ozonización : Página de Water Treatment Primer (Virginia) en la que se muestra información sobre la implantación del ozono en el tratamiento del agua, desde sus comienzos hasta sus ultimas aplicaciones en Estados Unidos. Presenta esquemas, algunos de ellos dinámicos sobre la preparación, generación, destrucción y evaluación como desinfectante.

Desinfección del agua con ozono :Página de Water Treatment Primer , desarrollando los siguientes contenidos :Química. Generación.Ventajas y desventajas. Links. ( Muestra diversos esquemas, algunos de ellos dinámicos).

El ozono y la formación de bromatos. Artículo de Carlos Albicker publicado en la página de Agualatinoamarica.

Ozono . Artículo de varios autores publicado en la página de ingenierombiental.com. recoge una introducción y proceso de generación  con esquemas. Describe igualmente la aplicación del ozono en la Planta de Tratamiento de Agua de Ann Arbor - Michigan, EEUU.

Ozono en el tratamiento del agua potable. Publicación de la EPA en inglés.

El ozono en el tratamiento del agua. Página de la empresa Ozono Sureste

Ozonización de compuestos que causan olor y sabor en el agua. Página en inglés de IAWQ

           Ozone Water Treatment Applications, Equipment, and Safety. Publicado por http://www.spartanwatertreatment.com

 

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