NORMAS DE CALIDAD DEL AGUA: Chihuahua y en

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
TRATAMIENTO DE AGUA PARA CUMPLIMIENTO DE LA NORMA DE AGUA
POTABLE EN COMUNIDADES RURALES DEL ESTADO DE CHIHUAHUA
Edmundo Luis Rocha Castro (*)
Maestro Investigador de la Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de
Chihuahua.
Maria Socorro Espino Valdés
Junta Central de Agua y Saneamiento del Estado de Chihuahua
Edmundo Luis Rocha Castro (*)
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Chihuahua. Apartado Postal 669,
Chihuahua, Chih. Correo electrónico: [email protected]
RESUMEN
El deterioro en la calidad del agua que se suministra como agua potable es un agudo problema en México y en el mundo.
En el estado de Chihuahua, los efectos de la sequía son entre otros, la extracción de agua de mantos acuíferos cada vez
mas profundos, lo que tiene como consecuencia que la calidad del agua presente problemas en lo referente al
cumplimiento de la normatividad para agua potable.
Por estudios previos realizados por la JCAS, se tienen detectados varios sitios en el estado, donde se presentan
problemas en calidad de agua, en contenidos mayores a los máximos establecidos por la norma en: sólidos disueltos,
flúor y arsénico principalmente.
Se evaluaron varias tecnologías para a partir del agua disponible en los pozos, producir agua que cumpla con las normas
de calidad y se estructuró un proceso de tratamiento que comprende: desinfección del agua y oxidación del arsénico con
cloro; filtración en grava, arena y carbón activado; ablandamiento con resinas en ciclo sodio y finalmente hiperfiltración
en membranas de ósmosis inversa.
Las plantas que se construyeron con este fin han dado resultados altamente satisfactorios, tanto en la aceptación por
parte de los usuarios y también en lo que respecta a la calidad del agua, la cual se obtiene después del tratamiento con
ósmosis inversa y que tiene contenidos sumamente bajos de las substancias que originalmente la hacen objetable.
Esta experiencia demuestra que es posible resolver los problemas de abastecimiento de agua con los estándares de
calidad mundial, a un costo accesible para los estados y las comunidades.
PALABRAS CLAVE:
JCAS: Junta Central de Agua y Saneamiento del Estado de Chihuahua
INTRODUCCIÓN:
NORMAS DE CALIDAD DEL AGUA: Chihuahua y en general el norte del país, han sido profundamente afectados por
los efectos de la sequía, la cual se ha prolongado por mas de diez años y se ha agudizado en los últimos 24 meses.
Una de las consecuencias de la sequía es el abatimiento de los pozos de producción de agua potable, y como resultado de
la sobreexplotación del acuífero, la calidad del agua se deteriora, ya que la intrusión de agua de alta salinidad y el
cambio en la mineralogía del yacimiento afecta negativamente su composición química.
Uno de los componentes que cambian las características químicas del agua del yacimiento es el contenido de sólidos
totales disueltos. También, elementos indeseables que originalmente no se encuentran en altas concentraciones en el
agua, aparecen en concentraciones que exceden los límites máximos permitidos, lo cual no permite que esta agua se
emplee como agua potable
Debido a que en nuestro estado carecemos de fuentes de agua superficiales como; ríos, lagos, lagunas, etc., una de las
principales fuentes de suministro de agua potable son los acuíferos subterráneos, en donde se presenta el problema ya
descrito.
Una de las regiones del estado que tiene problemas con el abastecimiento de agua que cumpla con las normas de calidad
del agua potable es la que comprende los municipios de Meoqui, Delicias y Julimes, por lo que se procedió a efectuar un
estudio previo de la calidad del agua en esta región, encontrándose cantidades superiores a los máximos que marca la
norma de calidad de agua potable, en uno o más de los siguientes parámetros: sólidos disueltos, flúor y arsénico.
Los problemas que se presentan cuando se tienen altas concentraciones de estas substancias son los siguientes:
FLÚOR: El flúor presente en el agua proviene de fuentes naturales y de fuentes generadas por actividades
antropogénicas. También puede presentarse en concentraciones mayores a las que el agua tiene originalmente, cuando
deliberadamente se agrega flúor al agua potable.
La práctica de agregar flúor al agua a consumir como agua potable, se debe a que se tienen evidencias de que el flúor en
concentraciones de 0.5 a 0.7 ppm protege contra la caries dental, ya que el esmalte dental forma una capa de fluoruro de
calcio, que es mas resistente al ataque de los ácidos orgánicos que contiene la saliva, al ataque microbiano y al desgaste
mecánico.
En altas concentraciones el flúor causa fluororosis dental, o manchado de dientes. El manchado de dientes es solamente
un problema estético, no un problema de salud.
Cuando el flúor se encuentra en muy altas concentraciones, sí se pueden presentar problemas de salud ya que el exceso
de flúor no solo forma una capa protectora en el esmalte dental, sino que endurece y calcifica los huesos y conduce a una
enfermedad llamada osteosclerosis.
Los síntomas de esta enfermedad es dolor agudo en las articulaciones, artritis ósea, dolor de cabeza, daños en el sistema
nervioso y deformaciones en columna vertebral y sistema óseo.
Esta condición se alcanza cuando se han ingerido de manera crónica y por periodos largos, altas cantidades de flúor.
En algunos países esta situación es endémica y en India por ejemplo, 15 de los 32 estados del país tienen problemas
serios con la intoxicación por flúor o fluororosis aguda. Otros países como: Chile, Argentina, Hong Kong, el noreste de
China, también tienen el problema de contaminación por flúor en los pozos y acuíferos que suministran el agua potable.
En México se estima que aproximadamente el 6% de la población (cinco millones de habitantes), están expuestos a
daños a la salud por fluororosis dental. El flúor ingerido no proviene únicamente del agua que se consume; otras vías de
exposición son el aire cuando se queman combustibles que contienen altas concentraciones de flúor, o por otros
alimentos, pero por mucho, la principal fuente de ingestión de flúor es por consumo de agua potable con altas
concentraciones de este elemento.
ARSÉNICO: El arsénico es otro de los elementos que frecuentemente se encuentran fuera de norma en los análisis
previos efectuados. Es muy conocida la alta toxicidad del arsénico aun a concentraciones de partes por billón. La
ingestión crónica y en altas cantidades de arsénico causa entre otros los siguientes problemas: cáncer de piel y vejiga,
deformaciones congénitas, daños en el sistema nervioso central, etc. y la intensidad del daño depende principalmente de
la dosis y frecuencia a la exposición.
En Estados Unidos los estándares de calidad de agua para consumo como agua potable demandaban hasta el ano 2000
una concentración no mayor de 0.05 ppm y a partir de esta fecha se ha establecido un valor máximo permitido de 0.01
ppm, lo cual ha causado gran polémica ya que en este país muchos núcleos de población, especialmente los que habitan
zonas rurales no podrán cumplir con este reglamento. En función de las evidencias de alta toxicidad y los danos a la
salud que causa la ingestión de arsénico, aún en pequeñísimas cantidades, se ha propuesto bajar mas el limite de arsénico
presente en agua potable hasta un valor de 0.005 ppm, lo cual afectaría a comunidades y hasta a ciudades que apenas
pueden cumplir con la norma de 0.01 ppm en concentración de este elemento.
En México el nivel máximo permitido es de 0.04 ppm, y también acorde con la tendencia de los organismos mundiales
de salud, la meta es restringir mas la ingestión de arsénico reduciendo los niveles máximos permitidos.
En México y en el mundo, la presencia de arsénico en altas concentraciones en al agua de acuíferos y yacimientos es un
problema que se encuentra frecuentemente.
En la India y principalmente en Bangladesh, se tiene un problema de dimensiones catastróficas ya que gran parte de los
pozos que suministran agua potable a villas y poblados, contienen agua con muy altas concentraciones de este toxico,
por lo que las enfermedades endémicas por intoxicación con arsénico son algo común en este país.
En México y otros países como: Australia, Estados Unidos, Chile Argentina, China, etc. también se presenta con
frecuencia el problema de agua de pozos con altas concentraciones de arsénico, por lo que se deben disminuir los niveles
a valores aceptables o se presentan brotes de arsenismo.
SÓLIDOS TOTALES DISUELTOS: Los sólidos disueltos que se encuentran en el agua provienen de la disolución por
contacto del disolvente con los minerales presentes en el acuífero o yacimiento.
La presencia de estos sólidos se determina indirectamente midiendo la conductividad del agua: a mayor conductividad
mayor contenido de sólidos disueltos.
Todas las aguas naturales contienen sales disueltas en mayor o menor cantidad: cuando por condiciones propias de la
mineralización del yacimiento donde se encuentra el agua el contenido de sólidos disueltos en ésta es muy alto, se
presentan algunos inconvenientes, ninguno de ellos que afecten la salud de los consumidores (siempre y cuando no se
tengan tóxicos en cantidades mayores a las concentraciones máximas permitidas).
Cuando se emplea agua con altos niveles de STD como agua de consumo, se tienen problemas como:
Alta salinidad lo cual altera el sabor natural del agua, haciéndola desagradable
También, la alta concentración de sales puede causar alteraciones digestivas temporales en el consumidor ocasional.
El cocimiento de alimentos con aguas de este tipo resulta en alimentos mal cocidos. Por ejemplo, si se cuecen habas,
lentejas o frijoles, los productos cocidos son duros y mal cocidos aún y cuando tenga un largo tiempo de cocción
TECNOLOGÍAS PARA REMOCIÓN DE CONTAMINANTES:
Entre las tecnologías disponibles para la remoción de estos contaminantes se tienen las siguientes:
ADSORCIÓN CON ALÚMINA ACTIVADA: La alúmina activada ha sido empleada como una forma de disminuir los
niveles de flúor en el agua. El mecanismo a través del cual es removido este elemento, es por un proceso de adsorción,
donde existe un proceso de intercambio iónico, desplazando un anión que pasa a solución y el flúor queda retenido
temporalmente en la estructura de la alúmina activada.
Una vez que los sitios activos de la alúmina se encuentran saturados, es necesario regenerar el soporte, para que los
sitios de intercambio nuevamente estén activos.
En la regeneración se hace fluir una solución de hidróxido de sodio y los iones hidroxilo desplazan al flúor que está
retenido en la superficie de la alúmina, y nuevamente el medio está disponible para el intercambio del flúor presente en
el agua que fluye por el lecho.
El problema que se tiene en este proceso es que en la regeneración se produce una solución de hidróxido de sodio
sumamente cáustica, la cual debe neutralizarse antes de disponerla en el drenaje.
Otro inconveniente de este proceso es que la alúmina activada no es totalmente selectiva hacia el ión flúor: otros iones
presentes en el agua tratada compiten con el flúor para adherirse a la resina, por lo que los sitios activos del material se
saturan mas rápidamente.
El arsénico cuando se encuentra químicamente presente como AsO3-, también puede adherirse al medio y ser retenido en
la superficie de la alúmina.
Si un agua contiene concentraciones mayores a los valores máximos permitidos en flúor y arsénico es posible disminuir
sus valores para que estos se encuentren dentro de la norma de calidad de agua potable, sin embargo, la no
sustentabilidad del tratamiento limita el uso de esta tecnología a su empleo en forma de cartuchos desechables que solo
se emplean para tratar el agua potable de una casa o un núcleo de personas reducido.
Los sólidos disueltos presentes en el agua no se ven apreciablemente afectados en este proceso de intercambio, por lo
que si el problema del agua de suministro es una alta concentración de sales, este tratamiento con alúmina activada no es
la opción para el tratamiento del agua.
ELECTRODIÁLISIS: El proceso de electrodiálisis emplea membranas semipermeables, o membranas que permiten el
paso de cationes o de aniones según sea el caso. Cuando el agua está en contacto con una membrana selectiva de aniones
y una membrana selectiva de cationes, las sales presentes en el agua son atraídas por los polos positivo o negativo
removiendo las impurezas presentes.
El proceso de electrodiálisis es efectivo pero implica tecnología y requiere de infraestructura que está fuera de los
objetivos del proyecto.
ÓSMOSIS INVERSA: En el proceso de ósmosis inversa es posible hacer fluir agua pura a través de una membrana
semipermeable, si se emplea el material adecuado en la membrana y si se aplica una presión suficientemente alta para
vencer la presión osmótica.
Cuando se emplea un sistema de ósmosis inversa, es posible obtener agua de alta pureza, completamente libre de sales
disueltas y como consecuencia de contaminantes. En un sistema de ósmosis inversa se tiene lo siguiente:
Una bomba especial hace fluir agua a alta presión a través de la membrana
En la membrana el agua de alimentación sale en dos corrientes: el producto y el rechazo. El producto es el agua con un
contenido mínimo de sales disueltas, y el rechazo es el agua que acarrea los sólidos disueltos que ya no contiene el agua
producto.
Una característica de un sistema de ósmosis inversa es la relación producto:rechazo, que indica el volumen de agua que
sale como producto y el volumen de agua que sale como rechazo. Por ejemplo: una relación producto:rechazo 1:1
significa que por cada litro de agua que se obtiene como producto, se produce un litro de agua en el rechazo.
El agua producto es la que se emplea como agua potable ya que no contiene sales ni contaminantes como arsénico y
flúor. El rechazo se vierte al drenaje o puede emplearse con otros fines como: agua para riego de jardines, para limpieza
y servicios sanitarios, etc.
RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO: Las resinas de intercambio iónico, al igual que la alúmina activada, consisten
de soportes sólidos que tienen en su superficie grupos activos que bajo ciertas condiciones intercambian su posición con
los iones presentes en el agua,
Del análisis de cada una de las alternativas de tratamiento ya descritas, se concluye que el tratamiento del agua a través
de un proceso de ósmosis inversa es la mejor opción.
Como este proceso se implementara en zonas rurales se deben reunir los siguientes requisitos:
1: El sistema deberá ser simple y fácil de operar
2: No debe requerir de personal calificado y deberá ser operado por personas de la misma comunidad.
3: Debe ser de bajo costo de inversión y mantenimiento.
4: Deberá remover los contaminantes que el agua pueda contener, específicamente: sólidos disueltos, flúor y
arsénico.
5: El proceso debe ser sustentable y no dañar ni afectar sensiblemente el medio ambiente.
PRUEBAS PILOTO:
LEYES DE REFORMA: Como una prueba piloto se implemento un sistema de tratamiento de agua por ósmosis inversa
en Leyes de Reforma, municipio de Camargo Chih.
Un análisis del agua de entrada y salida es el siguiente
Tabla I: Parámetros en el agua sin y con tratamiento y comparación con los valores establecidos por la norma de
calidad.
Agua de
Agua
Norma
Parámetro
Entrada
Tratada
(NMP)*
pH
7.66
Conductividad µS/cm
2650
Color
0.5
Turbidez NTU´s
2.6
Acidez ppm CaCO3
9.5
CO2 ppm CaCO3
8.4
Alcalinidad ppm CaCO3
88.4
Cloruros ppm CaCO3
39.3
Dureza ppm CaCO3
1417
Nitratos ppm CaCO3
28.8
Sulfatos ppm CaCO3
1501
Flúor ppm
2.03
Fierro ppm
>0.1
Manganeso ppm
0.124
Sólidos Totales ppm
2834
Sólidos Disueltos ppm
2829
Sólidos suspendidos ppm
4.6
NMP: Nivel Máximo Permitido
6.12
90.4
0.5
1.3
5.7
5.0
8.05
3.9
10.1
7.0
21
0.06
>0.1
>0.01
58
57.6
0.4
6.5 a 8.5
20
5.0
250
500
45
400
1.5
0.30
0.15
1000
De los resultados de esta prueba piloto se concluye que es posible disminuir a niveles mínimos las impurezas que
contiene el agua, al reducir considerablemente los sólidos disueltos, que es la función que tiene una membrana de
ósmosis inversa.
También, en esta planta piloto se demostró que era posible estructurar un sistema de alta tecnología, pero que podia ser
operado por personal con un nivel de cultura y educación promedio dentro de lo que es una zona rural, requiriendo un
mínimo de capacitación por parte de la JCAS.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
CONSTRUCCIÓN Y OBRA CIVIL
Para abastecer de agua potable a los usuarios de las localidades donde se detectaron problemas con la calidad del agua,
se decidió la construcción de casetas en las cuales se instalaría el equipo de ósmosis inversa con todos los accesorios y
equipos auxiliares.
Para este fin se construyeron casetas de 5 mts. por 3 mts. de base y 2.5 mts. de altura, con material de block de concreto
y loza del mismo material . Se alimenta el agua desde el suministro general que puede ser un pozo o un tanque de
almacenamiento. Se tiene también cableado eléctrico, con sus tomacorrientes e interruptores en el interior de la caseta a
110 volts. Los requerimientos máximos de potencia son 1.5 Kw.
El sistema de tratamiento consiste de lo siguiente:
TRATAMIENTO DEL AGUA (Figura 1):
AL DRENAJE
CN
CP
TANQUE DE DEPOSITO
HIDRONEUMATICO
FILTRO ARENA
Y CARBÓN
TANQUE DE
SALMUERA
FILTRO DE
RESINAS
CN
CP
MC
CLORO
AGUA CRUDA
CP
LLENADO DE
GARRAFONES
TANQUE DE
DEPOSITO
RECHAZO AL DRENAJE
Figura 1: Diagrama esquemático de la planta de tratamiento.
CONTROL DE PRESIÓN
MC
MEDIDOR DE CONDUCTIVIDAD
CN
CONTROL DE NIVEL
ALMACENAMIENTO Y CLORACIÓN: El agua de alimentación llega a un primer depósito o tanque de almacenamiento
de 1,100 litros de capacidad. En las localidades en que se instaló el equipo, el agua proviene de un tanque elevado, y a su
vez esta agua se extrae de un pozo que es la fuente de suministro.
Aunque en teoría el agua está clorada cuando que sale del pozo, se decidió instalar un equipo de cloración adicional para
el agua que entra a este tanque de almacenamiento de 1,100 litros, ya que se detectó que muchas veces el cloro residual
presente en el agua no es suficiente para una desinfección efectiva.
También, es muy importante tener una cloración con un valor de cloro residual no menor de 1.5 ppm, ya que se sabe que
la eficiencia en remoción de arsénico en una membrana de ósmosis inversa es mucho mas alta cuando el arsénico se
encuentra en el estado de oxidación As(V), que en el estado de oxidación As(III). Como el cloro es un oxidante muy
efectivo, es deseable que éste se encuentre presente y en contacto con el agua, para favorecer la oxidación del arsénico.
FILTRACIÓN EN ARENA Y CARBÓN ACTIVADO: De este depósito el agua se bombea por medio de un
hidroneumático a la siguiente etapa del proceso que es una filtración en arena y en carbón activado. La arena ayuda a la
clarificación y el carbón activado remueve el cloro residual que contiene el agua, para proteger la resina y la membrana
que están en una parte posterior del proceso.
ABLANDAMIENTO: La siguiente etapa del tratamiento es el flujo del agua a través de un lecho de resinas catiónicas en
ciclo sodio. Estas resinas intercambian iones sodio por iones calcio y magnesio principalmente. Existen evidencias de
que en el proceso de intercambio ciclo sodio, otros iones también son removidos entre ellos el arsénico, sin embargo,
aparentemente la eficiencia en remoción no es tan efectiva como para considerar que el proceso de suavización es una
alternativa para disminuir los niveles de arsénico en el agua, en realidad la finalidad del ablandamiento del agua es para
evitar la petrificación de la membrana de ósmosis inversa por sales de calcio y magnesio y alargar la vida útil de la
membrana.
TRATAMIENTO POR ÓSMOSIS INVERSA: Una vez que el agua ha sido desinfectada por cloración, también el arsénico
ha sido oxidado a su máximo estado de oxidación As(V), que es la forma en que este elemento es mas efectivamente
rechazado por la membrana, y de esta manera el agua está acondicionada para hacerla fluir a través del equipo de
ósmosis inversa.
Del equipo de ósmosis inversa se tienen dos efluentes: uno de ellos que es el producto es el agua potable libre de sales y
de contaminantes. El segundo efluente es el rechazo; éste consiste de agua que tiene una concentración mayor a la que
tiene el agua de alimentación, por lo que la misma es desechada a través de un sistema de drenaje que se instaló en cada
una de las casetas. En algunas de estas casetas el agua de rechazo se emplea para riego de jardines, ya que aunque es un
agua que no cumple con las normas de agua potable, es completamente adecuada para su uso con estos fines.
Se emplearon en todos los casos membranas con las siguientes características:
• Película: TFC
• Tipo de Membrana: Tubular en espiral
• Dimensiones: Arreglos de una o mas membranas de 2.5”X40” y de 4”X40”
• Presión de operación en las membranas: 150-180 psias
• Relación producto:rechazo: 1:1
• Tipo de Bomba: De engranes alta presión
• Prefiltración: Elementos de fibra de polipropileno de 10 micrones
• Otras características: Válvula solenoide en entrada de bomba, monitoreo continuo con conductímetro,
manómetros en entrada de agua y en salida de membrana de ósmosis inversa.
SEGUNDO ALMACENAMIENTO Y SERVICIO A CONSUMIDORES: El agua producto se envía a un segundo depósito
para almacenamiento del agua potable. De este depósito se da servicio a los consumidores por medio de un
hidroneumático que enciende cuando se abre la válvula de servicio para los pobladores y apaga cuando la válvula de
servicio se cierra.
RESULTADOS Los resultados que se han tenido hasta este momento es la aceptación de la comunidad beneficiada,
después de que se le ha involucrado en el proyecto y se ha efectuado una labor de divulgación por parte de la JCAS.
Respecto a los resultados del análisis químico que se han efectuado con algunas muestras de las aguas procesadas se
tienen los siguientes resultados.
TABLA II: Resultados parciales de muestras de agua en algunas de las plantas instaladas.
Arsenico
mg/L
Alcalinidad
ppm comoo
CaCO3
Dureza
ppm
como
CaCO3
Cloruros
ppm
como
CaCO3
Acidez
ppm
como
CaCO3
Sulfatos
ppm
como
CaCO3
pH
Cond.
mS
Flúor
mg/L
entrada
7.5
900
4.7
0.026
130
204
54.6
6
360
salida
6.5
13.7
0.045
0.0082
6
1
6
6
0.2
El Ranchito
Gran Morelos Primaria
entrada
7.2
880
3.5
0.056
240
290
47.5
12
175
salida
6.1
18.8
0.027
0.0010
10
5
9.9
6
0.03
entrada
7.6
880
3.6
0.068
202
222
60.26
8
salida
6.4
24.5
0.102
0.0007
4
1
12
10
Loreto
0
Guadalupe Victoria
entrada
8.0
1220
6.6
0.069
184
208
63.8
6
400
salida
7.3
13.2
0.124
0.0004
4
1
12
4
0.01
entrada
8.1
750
3.5
0.059
176
212
37
10
salida
6.9
29.9
0.045
0.0003
4
0
13
8
Las Puentes Pozo
0.02
10 de Mayo
entrada
8.7
1200
8.6
0.003
264
52
135
3
salida
9.1
26
0.022
0.0007
4
0
10
4
entrada
8.3
950
8.4
0.070
256
166
42
8
salida
7.8
18.8
0.022
0.0009
6
3
10
10
0
Felipe Ángeles Kinder
0.03
Armendáriz
entrada
8.2
1100
5.6
0.009
300
98
salida
8.3
26
0.010
0.0003
10
0
NMP=Nivel máximo permitido por la norma de calidad de agua potable:
Flúor: 1.5 mg/L
Arsénico: 0.040 mg/L
Como se puede observar en los resultados presentados, la calidad del agua obtenida en este proceso cumple con mucho
los estándares de calidad de agua potable. En el caso del arsénico, la norma en México establece un máximo de 40 ppb,
mientras que en Estados Unidos es de 10 ppb. Se concluye, que con este tratamiento, la calidad del agua obtenida
cumple con la norma no solo de nuestro país, sino también con la norma de calidad de los EU que es aún más estricta.
BIBLIOGRAFIA
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