xvEPA United States Environmental Protection Agency Office of Water Washington, D.C. EPA832-F-99-063 Septiembrede1999 Folleto informativo de tecnologia de aguas residuales Desinfeccion con ozono DESCRIPCION Las actividades de desinfeccion son consideradas como los mecanismos principales en la desactivacion o destruction de los organismos patogenos para prevenir la dispersion de enfermedades transmitidas a traves del agua tanto a los usuarios aguas abajo como al ambiente. Es muy importante que las aguas residuales sean tratadas adecuadamente antes de realizarse las actividades de desinfeccion para que la action de cualquier desinfectante sea eficaz. La Tabla 1 muestra los microorganismos que comunmente se encuentran en aguas residuales domesticas y las enfermedades asociadas a ellos. El ozono se produce cuando las moleculas de oxigeno (02) son disociadas por medio de una fuente de energia produciendo atomos de oxigeno que posteriormente chocan con una molecula de oxigeno para formar un gas inestable, el ozono (Os), que se utiliza para desinfeccion de las aguas residuales. La mayoria de las plantas de tratamiento de aguas residuales generan ozono mediante la aplicacion de una corriente alterna de alto voltaje (6 a 20 kilovoltios) a traves de una brecha entre placas dielectricas de descarga en donde se encuentra un gas de alimentation que contiene el oxigeno. El ozono es generado en la planta debido a que el gas TABLA 1 AGENTES INFECCIOSOS POTENCIALMENTE PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS NO TRATADAS Organismo Bacterias Escherichia coli (enterotoxigeno) Leptospira (spp.) Salmonella typhi Salmonella (2,100 serotipos) Shigella (4 spp.) Vibrio cholerae Protozoos Balantidium coli Cryptosporidium parvum Entamoeba histolytica Giardia lamblia Helmintos Ascaris lumbricoides T. solium Trichuris trichiura Viruses Enteroviruses (72 tipos; porejemplo: viruses echo y coxsackie del polio) Hepatitis A Agente de Norwalk Enfermedad Causada Gastroenteritis Leptospirosis Fiebre tifoidea Salmonelosis Shigellosis (disenteria bacilar) Colera Balantidiasis Cryptosporidiasis Amebiasis (disenteria amoebica) Giardiasis Ascariasis Teniasis Tricuriasis Gastroenteritis, anomalias del corazon y meningitis. Hepatitis de tipo infeccioso Gastroenteritis ------- Rotavirus Gastroenteritis Fuente: Tabla adaptada de Crites and Tchobanoglous, 1998 es inestable y se descompone en oxigeno elemental en un periodo corto de tiempo luego de su generation. El ozono es un oxidante y agente germicida de virus muy fuerte. Los mecanismos de desinfeccion asociados con el uso del ozono incluyen: • La oxidation o destruction directa de la pared de la celula con la salida de componentes celulares fuera de la misma. • Las reacciones con los subproductos radicales de la descomposicion del ozono. • El dafio a los componentes de los acidos nucleicos (purinas y pirimidinas). • La ruptura de las uniones de carbono-nitrogeno que conduce a la despolimerizacion Cuando el ozono se descompone en agua, los radicales libres del peroxido de hidrogeno (HO2) y del hidroxido (OH) que se forman tienen gran capacidad de oxidation y desempefian un papel activo en el proceso de desinfeccion. En general se cree que las bacterias son destruidas debido a la oxidation protoplasmatica, dando como resultado la desintegracion de la pared de la celula (fisuramiento o lisis de la celula). La eficacia de la desinfeccion depende de la susceptibilidad de los organismos a ser tratados, del tiempo de contacto y de la concentration de ozono. Un diagrama linear del proceso de desinfeccion con ozono se muestra en la Figura 1. Los componentes de un si sterna de desinfeccion utilizando ozono incluyen la preparation del gas de alimentation, la generation del ozono, el contacto con el ozono, y la destruction del ozono. El aire o el oxigeno puro se utilizan como fuente de oxigeno en el gas de alimentation, el cual es transmitido al generador de ozono a una tasa establecida de flujo. La fuente de energia para la production es generada mediante una descarga electrica en un gas que contenga oxigeno. Los generadores de ozono son comunmente clasificados de acuerdo a: • El mecanismo de control (voltaje o unidad de frecuencia). • El mecanismo de enfriamiento (agua, aire, o agua mas aceite). • El arreglo fisico de las placas dielectricas (vertical u horizontal). • El nombre del inventor. Si bien los generadores de ozono fabricados por diversas compafiias tienen caracteristicas unicas, estos tambien tienen algunas configuraciones en comun. El metodo de descarga electrica es la fuente de energia mas comunmente utilizada para la production de ozono. El aire extremadamente seco u oxigeno puro se exponen a una descarga controlada y uniforme de alto voltaje a una frecuencia alta o baja. El punto de condensation del gas de alimentation debe ser igual o menor de -60 °C (-76 °F). La corriente de gas generada del ------- aire contiene cerca del 0.5 a 3.0% de ozono por peso, mientras que el oxigeno puro genera aproximadamente de 2 a 4 veces esa concentration. Despues de su generation, el ozono es alimentado a una camara de contacto de flujo vertical de caida que contiene el agua residual a ser desinfectada. El proposito principal de la camara de contacto es transferir el ozono que se encuentra dentro de la burbuja de gas al Destruction del ozono r_RecicJaje_ Preparation de gas de alimentation • Production de oxigeno • Almacenamiento de oxigeno • Tratamiento con aire/oxigeno Gases de escape Generation de ozono V_ Camara de contacto de ozono Descarga Entrada del agua residual Fuente: U.S. EPA, 1986 FIGURA 1 DIAGRAMA ESQUEMATICO DEL PROCESO DE OZONIZACION cuerpo del liquido mientras que se permite suficiente tiempo de contacto para la desinfeccion. Los tipos de camara de contacto de burbujas difusas comunmente utilizados (bien sea en direction del flujo o a contracorriente) son los de inyeccion de presion positiva, de presion negativa (Venturi), de agitation mecanica y las torres de lecho fijo. Debido a que el ozono se consume rapidamente, debe proveerse un contacto uniforme en una camara de flujo en piston (tubular). Los gases de escape de la camara de contacto deben ser tratados para destruir cualquier ozono restante antes de ser liberados a la atmosfera. Por lo tanto, es esencial mantener una dosificacion optima del ozono para una mejor eficacia. Cuando se utiliza el oxigeno puro como gas de alimentation, los gases de escape de la camara de contacto pueden ser reciclados para generar el ozono o para la reutilizacion en el tanque de aereacion. Los gases de escape del ozono que no se utilizan se envian a una unidad de destruction de ozono o se reciclan. Los parametros principales de control del proceso son la dosis, la mezcla y el tiempo de contacto. Los sistemas de desinfeccion por ------- medio de ozono tienen como objetivo el maximizar la solubilidad del ozono en el agua residual ya que la desinfeccion depende de la transferencia del ozono al agua residual. La cantidad de ozono que se disuelve en el agua residual a una temperatura constante es una funcion de la presion parcial del ozono gaseoso sobre el agua o en la corriente del gas de alimentation. Es critico que todos los sistemas de desinfeccion que utilizan ozono sean evaluados a escala piloto y calibrados antes de la instalacion para asegurar que se cumplan con los requisites del permiso de descarga en los sitios especificos de uso. APLICABILIDAD La desinfeccion con ozono se utiliza generalmente en plantas de tamafio mediano o grande una vez que el agua residual haya recibido por lo menos tratamiento secundario. Ademas de la desinfeccion, otro uso comun del ozono en el tratamiento del agua residual es el control de malos olores. La desinfeccion con ozono es el metodo menos utilizado en los Estados Unidos aun cuando en Europa esta tecnologia ha tenido una amplia aceptacion por varias decadas. El tratamiento con ozono tiene la capacidad de lograr niveles mas altos de desinfeccion en comparacion con el cloro o la luz ultravioleta; sin embargo, los costos de inversion asi como los gastos de mantenimiento no son competitivos con las alternativas disponibles. Por lo tanto, el ozono es utilizado con poca frecuencia, principalmente en casos especiales en los cuales otras alternativas no son efectivas. VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas: El ozono es mas eficaz que la utilization del cloro para la desinfeccion o destruction de virus y bacterias. El proceso de ozonizacion utiliza un periodo corto de contacto (aproximadamente de 10 a 30 minutos). No existen residues peligrosos que necesiten ser removidos despues del proceso de ozonizacion porque el ozono se descompone rapidamente. Despues del proceso de ozonizacion, los microorganismos no crecen nuevamente, a exception de aquellos que estan protegidos por las particulas en la corriente de agua residual. El ozono es generado dentro de la planta, existiendo asi muy pocos problemas de seguridad industrial asociados con el envio y el transports. El proceso de ozonizacion eleva la concentration de oxigeno disuelto (O.D.) del efluente. El incremento O.D. puede eliminar la necesidad de reaereacion y tambien puede incrementar el nivel de O.D. en la corriente de agua receptora. Desventajas • La baja dosificacion puede no desactivar efectivamente algunos virus, esporas o quisles. • El proceso de ozonizacion es una tecnologia mas compleja que la deration o la desinfeccion con luz ultravioleta, por lo cual ------- se requieren equipos complicados y sistemas de contacto eficientes. El ozono es muy reactive y corrosive, requiriendo asi de materiales resistentes a la corrosion tales como el acero inoxidable. El proceso de ozonizacion no es economico para las aguas residuales con altas concentraciones de solidos suspendidos (SS), demanda bioquimica del oxigeno (DBO), demanda quimica de oxigeno, o carbono organico total. El ozono es extremadamente irritante y posiblemente toxico, asi que los gases de escape que salen de la camara de contacto deben ser destruidos para evitar que los trabaj adores esten expuestos a ellos. El costo del tratamiento puede ser relativamente alto en cuanto a la inversion de capital y la demanda de energia electrica. DESEMPENO Plantas de tratamiento de aguas residuales de Belmont y Southport en Indianapolis, Indiana En 1985, la ciudad de Indianapolis, Indiana, operaba dos plantas de tratamiento avanzado de aguas residuales en Belmont y Southport, cada una con capacidad de 125 millones de gal ones por dia (mgd) en donde se utilizaba el proceso de desinfeccion con ozono. La capacidad nominal de los generadores de ozono alimentados por oxigeno era de 6,380 libras diarias, lo cual era utilizado para cumplir con los promedios geometricos semanales y mensuales de desinfeccion de coliformes fecales establecidos en los permisos de descarga (400 y 200 por 100 ml, respectivamente). La desinfeccion fue requerida en ambas plantas de tratamiento de Indianapolis desde el 1 de abril hasta el 31 de octubre de 1985. Las caracteristicas del funcionamiento de los equipos fueron evaluadas durante el periodo de desinfeccion llevado a cabo en 1985 y, consecuentemente, el desempefio de la desinfeccion fue optimizado durante la temporada de 1986. El costo de inversion de ambos sistemas de ozonizacion represento cerca del 8% del costo total de la construction de las plantas. La operacion y el mantenimiento de los sistemas de ozonizacion representaron cerca del 1.9 % y del 3.7 % de los costos totales de operacion y mantenimiento de las plantas Belmont y Southport, respectivamente. En 1989 se llevo a cabo un programa detallado de monitoreo y de control del proceso. Los datos indicaron efectos significativos en el desempefio del proceso debido a los cambios en el caudal del agua residual, la concentration de las coliformes fecales que ingresaban a la camara de contacto y la demanda de ozono. La information sobre la demanda de ozono no se conocia previamente. Se realizaron diversos estudios para permitir un mejor control del proceso de desinfeccion con ozono. Estos incluyeron la instalacion reciente de una camara de contacto de ozono a escala piloto para permitir que el personal de la planta midiera diariamente la demanda de ozono. Ademas, se realizaron las pruebas con rastreadores para medir la posibilidad de flujo de corto circuito en la camara de contacto. Los resultados indicaron que se lograba una ventaja notable al agregar deflectores adicionales. Los resultados tambien sefialaron estrategias operacionales que podrian lograr una maxima remocion de coliformes fecales, tales como la reduction del numero de camaras de contacto en operacion en condiclones de flujo bajo y moderado. ------- OPERACION Y MANTENIMIENTO La generation de ozono utiliza una cantidad significativa de energia electrica. For esto se debe dar una atencion constante al sistema para asegurar que el uso de la energia es optimizado para un rendimiento controlado de la desinfeccion. No deben existir conexiones con fugas dentro o en los alrededores del generador de ozono. El operador debe monitorear regularmente las subunidades apropiadas para asegurar que no esten recalentadas. For lo tanto el operador debe verificar rutinariamente que no existan escapes puesto que una fuga muy pequefia puede causar concentraciones inaceptables de ozono en el ambiente. El equipo de monitoreo de ozono debe ser probado y calibrado segun lo recomendado por el fabricante del equipo. Tal como el oxigeno, el ozono tiene una solubilidad limitada y se descompone mas rapidamente en agua que en el aire. Este factor, junto con la reactividad del ozono, requiere que la camara de contacto de ozono este bien cubierta y que el ozono se difunda al agua residual lo mas eficazmente posible. El ozono en forma gaseosa es explosivo una vez que alcanza una concentracion de 240 g/m3. Puesto que la mayoria de los sistemas del proceso de ozonizacion nunca exceden una concentracion gaseosa de ozono de 50 a 200 g/m3, esto no es generalmente un problema. Sin embargo, el ozono en forma gaseosa sigue siendo peligroso durante una cantidad significativa de tiempo, de modo que es necesario tomar medidas extremas de precaution cuando se operan sistemas del gas de ozono. Es importante que las tuberias del generador de ozono, de distribucion, de contacto, del gas de escape y de entrada a la unidad de destruction de ozono sean purgadas antes de abrir los diversos sistemas o subsistemas. Al ingresar a la camara de contacto de ozono, el personal debe estar consciente de que existe un potencial de deficiencia de oxigeno o de gas de ozono atrapado a pesar de que se realicen los mejores esfuerzos de limpieza del sistema. El operador debe estar enterado de todos los procedimientos de operacion de emergencia requeridos en caso que surgiese un problema. Los operadores deben tener todo el equipo de seguridad industrial disponible para su utilization en caso de que suceda una emergencia. Los parametros de operacion y mantenimiento importantes incluyen: • Abastecer al generador de ozono con un gas limpio de alimentacion que tenga un punto de condensacion igual o menor a -60 °C (-76 °C). Si el gas alimentado tiene humedad, la reaction de ozono y la humedad puede generar una condensacion muy corrosiva en el interior del ozonizador. La production del generador puede ser disminuida por la formation de los oxidos de nitrogeno (tales como acido nitrico). • Mantener el flujo requerido del enfriador del generador (aire, agua u otro liquido). • Lubricar el compresor o el soplador de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Asegurarse que todas las empaquetaduras de sellado del compresor se encuentren en buenas condiciones. • Operar el generador de ozono dentro de los parametros de disefio. Examinar y limpiar regularmente el ozonizador, el suministro de aire y los ensamblajes dielectricos, y monitorear regularmente la temperatura del generador de ozono. • Hacer monitoreo del sistema de alimentacion y distribucion de ozono para ------- asegurar que el volumen necesario tenga suficiente contacto con las aguas residuales. • Mantener los niveles ambientales de ozono por debajo de los limites de las regulaciones de seguridad aplicables. COSTOS El costo de los sistemas de desinfeccion con ozono depende del fabricante, de la ubicacion, de la capacidad de la planta, y de las caracteristicas del agua residual a ser desinfectada. Los costos del proceso de ozonizacion son generalmente altos en comparacion con otras tecnicas de desinfeccion. La Tabla 2 muestra una estimation de costos tipica (valores bajos a medianos) para el sistema de desinfeccion con ozono utilizado para desinfectar 1 mgd de agua residual. Los costos se basan en agua residual que ha pasado por los procesos de tratamiento primario y secundario en un sistema correctamente disefiado (el contenido del DBO no debe exceder 30 miligramos por litro [mg/L] y el contenido de los solidos suspendidos debe ser menor a 30 mg/L). En general, los costos son influenciados en gran parte por factores especificos de la localidad; por esto, las estimaciones que se presentan a continuation son valores tipicos que pueden variar de un sitio a otro. Debido a que la concentration de ozono generada del aire o del oxigeno es tan reducida, la eficacia de transferencia a la fase liquida es una consideration economica critica. Por esta razon las camaras de contacto utilizadas son generalmente muy profundas y recubiertas. El costo total de un sistema de ozonizacion tambien es determinado en gran parte por el costo de inversion y los costos de operacion y mantenimiento. Los costos anuales de operacion para la desinfeccion con ozono incluyen el consumo de energia, los suministros, la reparation de equipos miscelaneos y las necesidades de personal. TABLA 2 ESTIMACION DE COSTOS TlPICOS DE UN SISTEMA DE OZONIZACION Componente Costos de inversion de capital Gas de alimentacion y compresor de oxigeno Camara de contacto (500 gpm) Unidad de destruccion Pequena (cerca de 30 pern) Grande (cerca de 120 pern) Costos miscelaneos Costos de ingenieria Contingencias Costo anual de operacion y mantenimiento Mano de obra Energia electrica Otros (reemplazo de filtros, aceite del compresor, repuestos dielectricos, etc) Costo del sistema (dolares) $245,500 $4,000-5,000 $800 $1,000-1,200 $ 35,000 $12,000-15,000 30% $12,000 90 kW $6,500 gpm: galones por minuto pcm: pies cubicos por minuto Fuente: Champion Technology, 1998 ------- Otra consideration referente al costo es que cada sistema de ozonizacion es muy especifico para cada caso, dependiendo de las limitaciones del efluente de la planta. Se deberan contactar empresas de abastecimiento de substancias quimicas para obtener information especifica de costos. REFERENCIAS 1. Crites, R. and G. Tchobanoglous. 1998. Small and Decentralized Wastewater Management Systems. The McGraw- Hill Companies. New York, New York. and Engineering, vol. 10. no. 3. 240. pp.215- Rudd, T. and L. M. Hopkinson. December 1989. "Comparison of Disinfection Techniques for Sewage and Sewage Effluents." Journal of International Water and Environmental Management, vol. 3. pp. 612-618. Task Force on Wastewater Disinfection. 1986. Wastewater Disinfection. Manual of Practice No. FD-10. Water Pollution Control Federation. Alexandria, Virginia. 2. Martin, E. J. and E. T. Martin. 1991. Technologies for Small Water and Wastewater Systems. Environmental Engineering Series. Van Nostrand Reinhold (now acquired by John Wiley & Sons, Inc.). New York, New York. pp.209-213. 3. Metcalf & Eddy, Inc. 1991. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse. 3d ed. The McGraw-Hill Companies. New York, New York. 9. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). 1986. Design Manual: Municipal Wastewater Disinfection. EPA Office of Research and Development. Cincinnati, Ohio. EPA/625/1-86/021. Water Environment Federation (WEF). 1996. Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 11. 5th ed. vol. 2. WEF. Alexandria, Virginia. Rakness, K. L.; K. M. Corsaro; G. Hale; and B. D. Blank. 1993. "Wastewater Disinfection with Ozone: Process Control and Operating Results." Ozone: Science and Engineering, vol. 15. no. 6. pp.497-514. Rakness, K. L.; R. C. Renner; D. B. Vornehm; and J. R. Thaxton. 1988. "Start-Up and Operation of the Indianapolis Ozone Disinfection Wastewater Systems." Ozone: Science 10. Rasmussen, Karen (Frost & Sullivan). 1998. Pollution Engineering Online. Market Forecast: Wastewater Treatment Equipment Markets." WEFTEC, Orlando, FL. INFORMACION ADICIONAL Mark Boner, P.E. WWETCO 1825 2nd Avenue Columbus, GA 31901 ------- Roy F. Weston Inc. Peter J. Lau 1515 Market Street, Suite 1515 Philadelphia, PA 19102-1956 La mention de marcas o productos comerciales no significa que la Agenda de Protection Ambiental de los Estados Unidos respalda o recomienda su uso. Para mayor information contactarse con: Municipal Technology Branch, U.S. EPA, Mail Code 4204, 401 M St., S.W., Washington, D.C., 20460 ------- |