El potencial redox, I

Valoració del potencial redox en el
control de la qualitat de l’aigua
regenerada
Jornada interna R+D CCB-EMACBSA, Tossa 26/03/2009
Francisco Lucena Gutiérrez
MARS
Microbiologia d’aigües
relacionada amb la salut
Agradecimientos
A todo el personal de las plantas del estudio, y en
particular a Jordi Muñoz, por sus ideas y
sugerencias.
Este estudio forma parte del trabajo realizado por
Miriam Agulló, para obtener el DEA por la
Universidad de Barcelona.
REUTILIZACIÓN y SEGURIDAD SANITARIA
ESCASEZ DE RECURSOS HÍDRICOS
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
EFLUENTE
REGENERADO
Filtro de arena
Luz
ultravioleta
Laberinto de
cloración
Lagunaje
Humedales
REUTILIZACIÓN y SEGURIDAD SANITARIA
ESCASEZ DE RECURSOS HÍDRICOS
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
EFLUENTE
REGENERADO
MÚLTIPLES USOS:
Filtro de arena
Luz
ultravioleta
Riego de campos de cultivo
Laberinto de
Lagunaje
Riego
de
zonas
verdes
cloración
Humedales
Actividades industriales
Recarga de acuíferos
Usos medioambientales y recreacionales
Usos urbanos no potables
REUTILIZACIÓN y SEGURIDAD SANITARIA
ESCASEZ DE RECURSOS HÍDRICOS
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
EFLUENTE
REGENERADO
MÚLTIPLES USOS:
Filtro de arena
Luz
ultravioleta
Riego de campos de cultivo
Laberinto de
Riego
cloración
Lagunaje
de zonas verdes
Humedales
GARANTIZAR NIVELES DE RIESGO
Actividades industriales
ACEPTABLES PARA LA SALUD DE LOS
Recarga de acuíferos
USUARIOS
Usos medioambientales y recreacionales
Usos urbanos no potables
Los Planes de Seguridad del Agua
•
En la gestión de aguas potables la OMS ha desarrollado unos
instrumentos de gestión que se denominan WSP (Water Safety Plans)
o PSA (Planes de Seguridad del Agua) (OMS, 2004; ISO: 22000).
•
Un PSA se caracteriza por:
•
Tener unos objetivos basados en la salud.
•
Analizar el sistema para determinar si la cadena de abastecimiento de
agua (desde la fuente hasta el punto de consumo) considerada en su
conjunto puede generar agua que cumpla los objetivos sanitarios.
•
Realizar una supervisión operacional de las medidas de control en la
cadena de suministro, que sean de particular importancia para
garantizar la “seguridad” del agua de bebida.
•
Establecer planes de gestión (descripción del análisis y control del
sistema, descripción de las acciones que deben realizarse en la
práctica normal y en condiciones de incidentes- incluyendo cambios y
mejoras), documentación y comunicación.
•
Establecer un sistema de supervisión independiente que certifique el
buen funcionamiento del plan.
Los Planes de Seguridad del Agua
en EDAR’s
•
Los Planes de Seguridad del Agua aplicados a reutilización de
agua serían los de garantizar un agua segura para los diferentes
usos previstos, lo que implica:
•
Tratar el agua residual hasta el punto necesario para reducir o
eliminar la contaminación microbiológica que pueda estar
presente, con el propósito de cumplir los objetivos de calidad
previstos para el agua.
•
Evitar la recontaminación durante el almacenaje, distribución y
manipulación del agua regenerada.
•
Para ello, un PSA tendría tres componentes básicos:
- análisis del sistema.
- supervisión de las operaciones.
- planes de gestión, documentación y comunicación.
Control de los sistemas de
regeneración y reutilización del
agua residual
Hay numerosas tecnologías de regeneración disponibles y
bien conocidas, aunque todavía se requiere investigación
para:
1. Saber como se eliminan los diferentes grupos de
microorganismos patógenos.
2. Aumentar la fiabilidad de los tratamientos.
3. Mejorar la efectividad en cuanto a costes.
4. y establecer sistemas que estén de acuerdo con la
teoría de la MTD (Mejor Tecnología Disponible).
Para ello, es preciso establecer claramente:
a) un control de proceso.
b) un aseguramiento de la calidad.
c) un buen mantenimiento preventivo.
d) un sistema de detección y gestión de fallos en la cadena
de producción de agua regenerada.
Control de los sistemas de
regeneración y reutilización del
agua residual
a) un control de proceso:
Pretende garantizar la fiabilidad del sistema.
Puesto que los controles analíticos no permiten la
corrección inmediata de los fallos, la fiabilidad se
debe garantizar mediante un buen mantenimiento
preventivo y el conocimiento del sistema como las
incidencias periódicas, problemas en los cambios de
estación, lluvias, hábitos de la población, etc.
Control de los sistemas de
regeneración y reutilización del
agua residual
b) un aseguramiento de la calidad:
Pretende garantizar la calidad examinando el
producto final.
La falta de datos en tiempo real (en pocas horas)
dificulta conocer los rendimientos reales con tiempo
suficiente para influir en el proceso de forma
adecuada.
Un buen seguimiento de la calidad permite detectar
modelos de funcionamiento que pueden ser útiles
para actuaciones posteriores.
Control de los sistemas de
regeneración y reutilización del
agua residual
c) Un buen mantenimiento preventivo.
Debe permitir la reducción al mínimo de las averías
imprevistas aumentando la fiabilidad del sistema.
Control de los sistemas de
regeneración y reutilización del
agua residual
d) Un sistema de detección y gestión de fallos en
la cadena de producción del agua regenerada.
Ha de establecerse un protocolo de detección de
fallos, ya sea mediante observaciones periódicas o
mediante alarmas en relación con parámetros que se
detecten en continuo (pH, turbidez, amonio, etc.).
Siempre es importante registrar todas las actuaciones
e incidencias de forma que se pueda establecer un
patrón de funcionamiento de la instalación en
respuesta a incidencias de origen externo.
Fiabilidad de las instalaciones de
regeneración y reutilización
• Las instalaciones de regeneración de agua residual
incluyen el tratamiento, el almacenaje, y la
distribución del agua regenerada.
• En una instalación de regeneración, se define la
fiabilidad como la probabilidad de un buen
funcionamiento que cumpla con las condiciones
específicas de trabajo y que produzca un efluente
con la calidad exigida al uso previsto.
Parámetros de control
•
Los parámetros de control de la calidad microbiológica del agua que
se emplean para autorizar o no el uso de las aguas regeneradas se
basan normalmente en unas analíticas que son lentas y relativamente
costosas, sobre todo para las plantas pequeñas.
•
La lentitud y costo dificultan que se puedan aplicar al control de la
operación en las plantas.
•
Todo ello hace que, si se quieren establecer las medidas para
minimizar los riesgos sanitarios ligados a reutilización, se deba
estudiar la posibilidad de implantar “herramientas analíticas
alternativas” a las que se emplean para la determinación de la
reutilizabilidad del agua regenerada, que sean fácilmente
incorporables por las EDAR, y que a ser posible sean medidas en
continuo, de fácil mantenimiento, y que se pueda hacer una
translación de la medida a la calidad microbiológica.
• Hemos de garantizar un sistema
fiable, para tener un agua
segura.
Así, en las pequeñas EDAR, con
posibles restricciones….
Posible
Posible utilización
utilización de
de medidas
medidas de
de potencial
potencial
de
de oxido-reducción,
oxido-reducción, como
como parámetro
parámetro en
en
continuo
continuo en
en el
el control
control de
de la
la EDAR.
EDAR.
El potencial redox, I
•
El potencial Redox o potencial de oxidación-reducción (ORP) es un
valor eléctrico medido en voltios o milivoltios relacionado con los
procesos de oxidación y reducción en el agua. Este valor se mide con
un electrodo de material inerte (normalmente platino) y un electrodo
de referencia.
•
En algunos tratamientos de regeneración de aguas se utilizan
compuestos químicos que oxidan a otras sustancias en reacciones de
ORP. Son los llamados agentes biocidas oxidantes. En este proceso
los valores de redox del agua experimentan un aumento al añadir
estos agentes oxidantes.
El potencial redox, II
•
La medida en continuo del potencial Redox del agua tratada con estos
agentes permitiría el ajuste de la cantidad de agente biocida oxidante
añadida al agua (dosificación), requerida para reaccionar con
sustancias orgánicas e inorgánicas, y disminuir las concentraciones
de las poblaciones bacterianas contenidas en el agua hasta los niveles
deseados (demanda).
•
La instalación de sistemas de dosificación de agentes biocidas
oxidantes, gobernados por una señal de proceso proporcional a la
medida del potencial redox del agua tratada, permitiría asegurar una
correcta desinfección del agua mediante un sistema de bajo coste de
instalación y mantenimiento.
Objetivos del estudio
• El objetivo principal de este estudio es explorar la utilidad de la
medida en continuo del potencial de oxido - reducción como
una herramienta analítica en los controles de los sistemas de
regeneración y reutilización del agua residual en pequeñas
EDAR.
• En segundo lugar, poder valorar la fiabilidad de tratamientos
terciarios en base a esta medida en los planes de gestión y
comprobar el cumplimiento de la normativa sobre reutilización
desde el punto de vista microbiológico.
Etapas del estudio
• Experimentos en laboratorio, relación cloro - potencial redox
• Relación potencial redox - inactivación microorganismos
• Calidad microbiológica - potencial redox
• Establecimientos de valores límite de potencial redox,
• Experimentos a nivel de laboratorio
Relación potencial REDOX- Cloro
• 16 concentracions diferents de clor entre 1- 200 ppm
Aumento de niveles de cloro
Aumento del potencial redox
Inactivación microorganismos, en
relación con el potencial redox (cloro)
Aumento del potencial redox
Aumento inactivación de microorganismos
E. coli > SOMCPH ~ SCR
Inactivación microorganismos, en
relación con el potencial redox (cloro)
Aumento del potencial redox
Aumento inactivación de microorganismos
E. coli > SOMCPH ~ SCR
Inactivación microorganismos, en
relación con el potencial redox (cloro)
Aumento del potencial redox
Aumento inactivación de microorganismos
E. coli > SOMCPH > SCR
Inactivación microorganismos, en relación con
el potencial redox (cloro)
1. Se puede establecer una relación entre los niveles de
cloro y el potencial redox.
2. Partiendo de diferentes tipos de agua, residual,
secundario, río…. Si se dosifica cloro hasta alcanzar un
potencial redox > 200mV, se alcanza una inactivación de
E.coli por debajo de 100 ufc/100mL
• Relación potencial redox - calidad
microbiológica agua de las EDAR’s
Descripción de las EDAR’s. Puntos de muestreo
Puntos de muestreo: entrada, secundario y terciario de las plantas
Niveles potencial redox, según
puntos de muestreo
Hay un aumento significativo del potencial redox, a lo
largo de los tratamientos de las plantas.
unidades logarítmicas por 100 ml
Niveles de E. coli, según
puntos de muestreo
Hay una disminución significativa de E. coli, a lo
largo de los tratamientos de las plantas.
Niveles de clostridios y colifagos
somáticos, según puntos de muestreo
Esporas de clostridios
reductores de sulfito
Coligafos somáticos
Hay una disminución significativa de las esporas de clotridios y los
colifagos somáticos, a lo largo de los tratamientos de las plantas.
Relación potencial redox y calidad
microbiológica, ICF.
• Hay un aumento significativo del potencial redox
durante los tratamientos en las EDAR’s y ERA’s y
una disminución clara de los indicadores de
contaminación fecal, ICF; más significativa en E. coli
y algo inferior en las esporas de clostridios y los
colifagos somáticos.
Análisis discriminante
Análisis discriminante
Porcentaje de casos clasificados correctamente: 92,4 %
Análisis discriminante
Porcentaje de casos clasificados correctamente:
84,8 %
Esporas de clostridios
90,9%
Colifagos somáticos
• Relación redox - calidad microbiológica.
Establecimiento de valores límite.
•
Descripción de las plantas
TERCIARI
Niveles de redox, y parámetros microbiológicos
en las etapas del tratamiento
Hay un aumento significativo del potencial redox durante los tratamientos y una
disminución clara de los indicadores de contaminación fecal, ICF; más
significativa en E. coli y algo inferior en las esporas de clostridios y los colifagos
somáticos.
Distribución de los valores de redox
Además, para los valores de E. coli estudiados según los tests de Dixon y
Grubbs, determinan que no hay valores atípicos y que siguen una distribución
normal con un nivel de confianza del 99%.
Relación redox - E. coli
La ecuación matemática que define la relación entre el potencial redox y los
valores de E. coli es:
REDOX = 320,188 - 45,2068* E. coli (ulog/100ml)
•
Se han segregado los valores de redox atendiendo a los niveles de E. coli,
presentes en los terciarios, esta separación se podría establecer según
los diferentes usos previstos en el RD 1620/2007, en nuestro caso hemos
estableciendo dos categorías:
1. Redox 100: para valores de E. coli ≥ 100 ufc/100 mL.
2. Redox: para valores de E. coli < 100 ufc/100 mL.
Hay diferencias significativas entre ambas categorías
Relación redox - E. coli, según categorias
<
Redox 100 = 191,196 - 16,6017*E. coli
Si bien hay una relación significativa esta
es débil, el coeficiente de correlación es
de - 0,321 con una p valor < 0,05.
Redox = 368,299 - 129,763*E. coli
Hay una relación estadística entre
ambas variables, el coeficiente de
correlación es de - 0,564, con una
p valor < 0,01.
Establecimiento de un valor límite, I
1. Cuadro de cuartiles (Q) y percentiles (C) de los valores de redox (mV) de los
efluentes terciarios de las muestras estudiadas.
2. Los valores redox están solapados, debido a los diferentes tratamientos.
3. En nuestro caso si escogiéramos el valor de 73 mV como valor límite, nos
equivocaríamos en más del 75% de los casos. Es por lo que debemos escoger
otra forma de establecer el valor límite.
Establecimiento de un valor límite, II
1. Una manera lógica de hacerlo es escoger el valor redox más alto de la categoría
Redox 100. Haciéndolo de esta manera, habríamos de escoger el valor de 226
mV como límite, pero este valor de redox corresponde a una muestra que tiene
más de 100 E. coli/100 mL.
2. Así, para determinar el valor límite definitivo, nos hemos fijado en un valor
redox inmediatamente superior a 226 mV y que este dentro de la categoría
Redox. El valor escogido ha sido el de 230 mV. En definitiva, si escogemos un
valor límite de 230mV, nos aseguramos que el valor de E. coli estará por debajo
de 100 ufc/100 mL.
3. También es cierto, que hay casos en que se consigue tener menos de 100 E.
coli/100 mL, con valores inferiores a 230 mV. Este hecho no supondría en la
práctica un inconveniente ya que implica que estaremos protegiendo en
exceso el sistema.
4. En el nuestro estudio, esto implica que en un 28% de los casos, estaríamos
dosificando más cloro del necesario para obtener el mismo resultado.
Conclusiones I
1.
El potencial redox se incrementa y las concentraciones de
microorganismos indicadores disminuyen a medida que el
agua es tratada en las EDAR’s y ERA’s.
2.
Es posible establecer un valor umbral de redox por el que,
se garantizaría que los valores de E. coli no sean
superiores a 100 ufc/100 mL.
Trabajos futuros
1.
Por la facilidad de la medida y por el coste económico que esta
representa, el potencial redox podría ser incluido en los programas de
gestión y control plantas depuradoras. Dentro del programa de control de
aquellas EDARs – ERA’s en las que no se puede hacer de manera
rutinaria un análisis exhaustivo de las concentraciones de E. coli, se
podria considerar la utilidad de disponer de aparatos de medida del
potencial redox con el fin de facilitar las tareas de gestión.
2.
En estos casos sería necesario realizar un estudio para la determinación
del valor umbral, puesto que este dato puede ser diferente en cada planta.
Los orígenes y la naturaleza de las muestras y las diferencias en el
tratamiento hacen que un valor umbral concreto no se pueda considerar
universal para todas las EDARs.
Muchas gracias por su atención
Francisco Lucena, flucena@ub.edu
MARS
Microbiologia d’aigües
relacionada amb la salut