CONTROL QUÍMICO Y BIOLÓGICO DE MATERIA ORGÁNICA EN EMBALSES
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Tratamiento Avanzado de aguas 2010 Narváez & Ramos CONTROL QUÍMICO Y BIOLÓGICO DE MATERIA ORGÁNICA EN EMBALSES. Carlos D. Ramos 1 , Jhon F. Narváez 1 . Resumen Los embalses son grandes reservorios de agua, formados por el represamiento de ríos y/o quebradas denominados tributarios. Esto, implica un cambio de flujo de agua lótica a un estado léntico que lleva a la acumulación de sustancias orgánicas transportadas por los tributarios. La materia orgánica que entra a los embalses puede transportarse hasta las plantas de potabilización y formar trihalometanos en los procesos de cloración del agua u oxidación. Estas sustancias tienen una gran implicación sobre la salud humana debido a su actividad genotóxica y carcinogénica. Actualmente la legislación Colombiana no permite niveles superiores a 0.1 ppm. Sin embargo la colmatación en embalses de materia orgánica, tiene otras implicaciones ambientales tales como eutrofización y crecimiento de Microcystis sp las cuales producen toxinas con gran actividad hepatotóxica. Además el crecimiento de macrófitas en procesos de eutrofización disminuye la navegabilidad, el volumen aprovechable de agua y alteran el equilibrio de algunos gases de gran importancia para organismos acuáticos. Como resultado de esto los tratamientos en planta como la coagulación mejorada los sistemas de flotación con aire disuelto (DAF) entre otros están dirigidos a evitar precursores de THMs. Sin embargo la eficiencia de los procesos debe garantizarse en su totalidad. Por esta razón el tratamiento desde los embalses toma cada vez un papel más fuerte en la reducción de la materia orgánica. Además, los procesos de eutrofización solo pueden evitarse con la intervención del hombre en los embalses. Algunas aplicaciones tales como: los procesos avanzados de oxidación con porcentajes superiores al 88%, la utilización de membranas con gran remoción de material en suspensión y turbidez, el tratamiento químico con sulfato ferroso en la disminución de Microcystis, la aplicación de peróxido de calcio en la oxidación de clorofila con valores superiores al 90 % y precipitación de fosfatos, la aplicación de aireadores y la aplicación de microorganismos que participan en procesos de biodegradación, son aplicados como pruebas piloto en laboratorios. Esta revisión pretende generar un marco conceptual sobre algunos métodos de control biológico y químico de materia orgánica y la disminución de los riesgos tóxicos potenciales para los seres humanos y la biota. Palabras claves: Embalses, eutrofización, materia orgánica natural, procesos de oxidación avanzada, trihalometanos. 1 Grupo de Investigación en Gestión y Modelación ambiental-GAIA. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia A.A. 1226 * Autor a quien se debe dirigir la correspondencia: [email protected]
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Tratamiento Avanzado de aguas 2010 Narváez & Ramos
CONTROL QUÍMICO Y BIOLÓGICO DE MATERIA ORGÁNICA EN EMBALSES.
Carlos D. Ramos1, Jhon F. Narváez1.
Resumen
Los embalses son grandes reservorios de agua, formados por el represamiento de ríos y/o
quebradas denominados tributarios. Esto, implica un cambio de flujo de agua lótica a un estado
léntico que lleva a la acumulación de sustancias orgánicas transportadas por los tributarios. La
materia orgánica que entra a los embalses puede transportarse hasta las plantas de potabilización y
formar trihalometanos en los procesos de cloración del agua u oxidación. Estas sustancias tienen
una gran implicación sobre la salud humana debido a su actividad genotóxica y carcinogénica.
Actualmente la legislación Colombiana no permite niveles superiores a 0.1 ppm. Sin embargo la
colmatación en embalses de materia orgánica, tiene otras implicaciones ambientales tales como
eutrofización y crecimiento de Microcystis sp las cuales producen toxinas con gran actividad
hepatotóxica. Además el crecimiento de macrófitas en procesos de eutrofización disminuye la
navegabilidad, el volumen aprovechable de agua y alteran el equilibrio de algunos gases de gran
importancia para organismos acuáticos.
Como resultado de esto los tratamientos en planta como la coagulación mejorada los sistemas de
flotación con aire disuelto (DAF) entre otros están dirigidos a evitar precursores de THMs. Sin
embargo la eficiencia de los procesos debe garantizarse en su totalidad. Por esta razón el
tratamiento desde los embalses toma cada vez un papel más fuerte en la reducción de la materia
orgánica. Además, los procesos de eutrofización solo pueden evitarse con la intervención del
hombre en los embalses. Algunas aplicaciones tales como: los procesos avanzados de oxidación con
porcentajes superiores al 88%, la utilización de membranas con gran remoción de material en
suspensión y turbidez, el tratamiento químico con sulfato ferroso en la disminución de Microcystis,
la aplicación de peróxido de calcio en la oxidación de clorofila con valores superiores al 90 % y
precipitación de fosfatos, la aplicación de aireadores y la aplicación de microorganismos que
participan en procesos de biodegradación, son aplicados como pruebas piloto en laboratorios.
Esta revisión pretende generar un marco conceptual sobre algunos métodos de control biológico y
químico de materia orgánica y la disminución de los riesgos tóxicos potenciales para los seres
humanos y la biota.
Palabras claves: Embalses, eutrofización, materia orgánica natural, procesos de oxidación avanzada,
trihalometanos.
1 Grupo de Investigación en Gestión y Modelación ambiental-GAIA. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia A.A. 1226
* Autor a quien se debe dirigir la correspondencia: [email protected]
Tratamiento Avanzado de aguas 2010 Narváez & Ramos
INTRODUCCION
La materia orgánica es el producto de
descomposición de sustancias naturales o
sintéticas de origen autóctono o de la
actividad antropogénica. Esta, tiene una
participación importante en procesos de
complejación de metales, reacciones redox y
funcionan como amortiguadores en embalses
con poca alcalinidad [1]. El transporte y la
transformación en ambientes acuáticos
dependen de procesos biogeoquímicos tales
como biodegradación, fotolisis, hidrólisis,
adsorción, precipitación y sedimentación [2].
La materia orgánica se transporta desde los
sitios de entrada hasta quebradas y ríos, los
cuales en ocasiones son tributarios de
embalses. Debido a que la dinámica del agua
cambia de un sistema lotico a uno lentico
gran cantidad de sustancias pueden
acumularse en los embalses. Aunque la
materia orgánica de origen natural
contribuye con el mantenimiento del ciclo del
carbono, el crecimiento poblacional y la
actividad antropogénica ha aumentado las
descargas alóctonas con grandes impactos en
la eutrofización y florecimiento de
cianobacterias toxicas para seres humanos y
organismos acuáticos [3].Sustancias de origen
autóctono como ácidos húmicos y fúlvicos
representan un gran problema en los
procesos de potabilización, otras como
plaguicidas, productos de origen
farmacéutico y sustancias disruptores
endocrinas han sido encontradas en cuerpos
de agua de todo el mundo[4].
En los últimos años se ha encontrado que la
materia orgánica, tanto de origen autóctono
como alóctono, son precursores de
trihalometanos (THMs) y otros productos de
desinfección (DBPs) relacionados con
carcinogenicidad y otros problemas de salud
pública mundial. Los trihalometanos son
compuestos clasificados como carcinogénicos
tipo B y C2, además están relacionados con
una alta incidencia en abortos,
teratogenicidad y problemas de asma en
niños. Se forman a partir de materia orgánica
como ácidos húmicos y fúlvicos durante la
cloración del agua, así como por la presencia
del ion bromuro el cual lleva a la formación
de tribromometanos. El patrón de formación
en los procesos de potabilización es
Cloroformo> Bromodiclorometano >
dibromochlorometano >bromoformo [5]. En
la legislación actual Colombiana, tienen un
valor máximo permisible de 0.1mg/L [6].
Algunas técnicas de extracción como la micro extracción en fase solida (SPME), HeadSpace (HS), sistemas de inyección tales como: la inyección acuosa directa (DAI), Split/Splitless y técnicas de cromatografía de gases acoplada a detectores de captura de electrones (ECD) y masas (MS), han sido de gran ayuda en la cuantificación y detección de triahalometanos en plantas de potabilización. Sin embargo estos métodos representan grandes retos analíticos y altos costos operativos [7]. Debido a lo anterior y a los grandes
problemas de salud pública, el estudio de las
fuentes de entrada, transporte y tratamiento
en los embalses se han convertido en una
gran solución en los últimos años.
La reducción de la materia orgánica
precursora de trihalometanos, ha abarcado
desde el tratamiento en la fuente (Embalses y
tributarios) y mejoras en los procesos de
potabilización. Por ejemplo el tratamiento
preliminar y secundario en aguas de
vertimiento a tributarios del embalse La Fe
Antioquia, son de gran ayuda en la reducción
de la carga orgánica alóctona transportada
por el rio Pantanillo, además, la
implementación de turbinas en el embalse
Riogrande II, aunque fue instalado para el
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control de Hierro y Manganeso a tenido
aplicaciones en otras partes del mundo en el
control de eutrofización. De igual forma
algunas normas para vertimiento y la
prohibición de la aplicación de plaguicidas
han tratado de disminuir la cantidad de
contaminantes antropogénicos en embalses.
Finalmente, la implementación de sistemas
como la flotación con aire disuelto (DAF), la
coagulación mejorada y la utilización de
membranas han disminuido la cantidad de
precursores de trihalometanos ( medidos
como TOC, DOC y absorbancia a 254 nm) y
productos de desinfección (Por técnicas
instrumentales) en los procesos de
potabilización [8]. A continuación se
abordaran algunos temas relacionados con el
tratamiento y prevención de formación de
DBPs en los procesos de potabilización a
partir de materia orgánica presente en
embalses.
PARAMETROS RELACIONADOS CON EL
CONTENIDO DE MATERIA ORGANICA.
La material orgánica natural (MON) es una
mezcla compleja de compuestos orgánicos
que se originan a partir de la descomposición
detrital de la materia [9].La estructura y
composición química de la MON no ha sido
bien establecida debido a su complejidad y
variabilidad con respecto a la localización y
condiciones ambientales. La MON se ha
agrupado en sustancias no húmicas y
húmicas, estas últimas corresponden a ácidos
orgánicos no polares derivado del humus del
suelo y de plantas acuáticas y terrestres.
Dentro de las sustancias húmicas, se
encuentran los ácidos húmicos, que
precipitan a un pH < 2, y los fúlvicos, que no
lo hacen[10].Éstos subgrupos aun no
corresponden a compuestos puros sino a
mezclas complejas [11].Químicamente se han
identificado patrones comunes para tales
sustancias predominantemente núcleos
(benceno, antraceno, furanos, piridina),
grupos reactivos(carboxilos, hidroxilos,
amino, sulfonatos, carbonilos, metoxilos) y
elementos que sirven de puente
intermolecular,( -S-, -N-,O) [12].
La caracterización de la MON, implica el uso
de ciertas técnicas de análisis instrumental,
las cuales aprovechan características
químicas como la solubilidad, el peso
molecular, el tamaño, la absorbancia a
determinada longitud de onda. y
biológicamente se tiene en cuenta la
biodegradabilidad. Es así que se han
estipulado variables control para monitorear
el contenido de materia orgánica en distintas
matrices. A nivel experimental se realizan
mediciones de color, aromaticidad y demás
descritas en la Tabla 1, las cuales tienen una
buena correlación con la concentración de
materia orgánica presente.
Parámetro Herramienta Analítica
Color Espectrofotometría
Visible Comparadores visuales
Aromaticidad (absorbancia UV)
Espectrofotometría UV
Carbono orgánico total (COT)
Analizador COD Carbono orgánico disuelto
(COD) Carbono orgánico disuelto
biodegradable (CODB) Carbono orgánico asimilable
(COA) Potencial de
recrecimiento bacteriano Recrecimiento bacteriano
Distribución del peso molecular
Cromatografía por exclusión de tamaño de alta resolución (HPSEC)
Hidrofibicidad/Hidrofobocidad Fraccionamiento Rápido
(FR) Potencial de formación de trihalometanos (PFTHM)
Cromatografía gaseosa ( CG)
Grupos Funcionales (Alifáticos, aromáticos, nitrogenados)
Cromatografía gaseosa – espectrometría de
masas( CG -EM) Espectroscopia Infrarroja
(IRTF) Resonancia Magnética
nuclear (RMN)
Tabla 1. Algunas variables utilizadas para caracterizar
la materia orgánica natural (MON)
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Como se muestra en la tabla anterior, las
medidas más simples que indican la presencia
de MON, se fundamentan en la capacidad de
absorber radiación en la región ultravioleta
(254 nm) del espectro electromagnético que
tienen las insaturaciones presentes en los
anillos aromáticos, la cual correlaciona muy
bien con la concentración de subproductos de
desinfección formados [13].
EL Potencial de recrecimiento bacteriano
BRP, es una medida del carbono orgánico
disponible para el crecimiento de microbiota,
es decir, la MON que es fácilmente
biodegradable. Se ha mostrado que procesos
de oxidación y desinfección aumentan el BRP,
debido a que los compuestos orgánicos
complejos son transformados en sustancias
más sencillas y fácilmente asimilables
[14].Este parámetro es un buen indicador del
potencial de formación de biofilms en las
redes de distribución y es muy útil para el
diseño o selección de biofiltros o membranas
biológicas, puesto que correlaciona con la
cantidad de COD que puede ser mineralizado
por los microorganismos[14].
El carbono orgánico disuelto (COD) es el
parámetro más usado para la cuantificación
de la MON, y corresponde a la fracción
remanente luego de filtración, acidificación y
aireación, este valor no es una medida
suficiente de MON para determinar el
impacto en el tratamiento del agua, pero
generalmente grandes concentraciones de
COD implican mayores dosis de coagulante y
desinfectante en el tratamiento de agua,
aunque existen excepciones [15].
Dado a que existen distintas fuentes de la
MON, se presentan variaciones importantes
en cuanto al peso molecular, para ello, se ha
establecido la técnica cromatográfica HPSEC
(High Performance Size Exclusion
Chromatography), la cual utiliza un proceso
de permeación diferencial para separar
componentes de acuerdo al tamaño (peso
molecular), y utiliza detección con
ultravioleta. Debido a que muchas sustancias
orgánicas no absorben radiación UV, la
técnica se ha limitado y actualmente está
siendo poco usada. La solubilidad,
estrechamente relacionada con la polaridad
de las sustancias, es aprovechada para la
caracterización mediante fraccionamiento
rápido (FR), ésta técnica utiliza resinas
adsorbentes de diferente naturaleza y su
objetivo es determinar la predominancia de
sustancias acidas, neutras, básicas,
hidrofílicas o hidrofóbicas en la MON [16].
Además, el FR es útil para cuantificarla
proporción del COD que no será removida por
tratamiento convencional,
predominantemente la fracción hidrofílica
neutra. (Materia orgánica recalcitrante) y se
evidencia una relación directa entre la
fracción acida hidrofóbica y la demanda de
coagulante y de cloro para desinfección[16].
TRATAMIENTOS QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS
EN EMBALSES.
Los embalses se comportan como reactores
naturales debido a que su diseño cuenta con
condiciones de caudal, tiempo de retención y
reacciones bioquímicas que intervienen en la
transformación de la materia orgánica. En
estos sistemas lenticos, se producen procesos
de transferencia de energía que mantienen
los ciclos naturales del carbono, nitrógeno y
fosforo. Procesos de degradación de materia
orgánica, nitrificación y desnitrificación entre
otros, convierten a los embalses en grandes
reactores naturales. La materia orgánica
procedente de la descomposición natural y de
la descarga antropogénica, pasa por procesos
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de transformación dominantes tales como
biodegradación, foto degradación, hidrólisis
química y/o procesos de oxido-reducción (8).
Sin embargo, las altas descargas de materia
orgánica no son transformadas
eficientemente debido a que los tiempos de
retención en ocasiones no son suficientes
para la interacción entre los microorganismos
y el sustrato, además el material de origen
alóctono no se transforma completamente y
los compuestos parentales y subproductos
pueden transportarse hasta las plantas de
potabilización [17]
La aplicación de estos procesos de
transformación ambiental en embalses ha
sido un gran objeto de estudio en los últimos
años, sin embargo algunos tratamientos aun
continúan como pruebas piloto en
laboratorios con agua recolectada de
embalses. Los métodos consisten en
aumentar la eficiencia de algunos procesos de
degradación natural tales como la
fotodegradación, en la cual además de la
irradiación se utilizan agentes generadores de
radicales hidroxilo y catalizadores metálicos
conocidos como tecnologías avanzadas de
oxidación[18], que aseguran oxidaciones casi
completas de la materia orgánica. De igual
forma el empleo de aireadores que aunque su
función es aumentar la eficiencia de los
procesos de oxidación, no aumentan la
formación de trihalometanos y otros
productos de la desinfección generados en
procesos de potabilización [19]
Por último, el tratamiento del bloom de
cianobacterias y el control del crecimiento de
fitoplancton producto de los procesos de
eutrofización, contribuyen con la disminución
tanto de toxinas como de componentes
celulares liberados en la senescencia de estas
poblaciones. A continuación se abordaran
algunos trabajos realizados en el tratamiento
de materia orgánica en embalses.
Tratamientos Químicos:
Reducción de materia orgánica natural en
embalses por medio de procesos avanzados
de oxidación:
La luz solar contiene un amplio espectro
electromagnético, esta, puede favorecer la
excitación molecular de la materia orgánica
por adsorción y llevar a reacciones
electroquímicas. Patel-Sorrentino reportó en
el 2004 que cerca del 35% del carbono
orgánico disuelto (COD) se remueve después
de 240 minutos de irradiación con luz solar y
oxigeno [20]. Esto, disminuye la cantidad de
precursores de trihalometanos en plantas de
potabilización. De igual forma, Thompson y
colaboradores encontraron que la irradiación
de la materia orgánica con luz UV a una
longitud de 185nm permite la degradación
del 91% de la materia orgánica en 150
minutos [21].
Los procesos avanzados de oxidación son aplicados en la actualidad en plantas de tratamiento [22]. La técnica consiste en generar radicales hidroxilos con alta capacidad oxidativa (solo superados por el fluoruro), con lo que se puede conseguir oxidaciones de compuestos que no son fácilmente oxidados por el ozono y el cloro utilizado en procesos de potabilización. Esta aplicación se ha probado en agua
recolectada en el embalse de Gorple en el
Reino Unido, la cual contiene las
características descritas en la Tabla 2. :
Parámetro Valor DOC 17.4 mg.L-1
UV254 53.54 m-1 pH 4.54
Alcalinidad 10mg.L-1
Tabla 2. Características fisicoquímicas del agua del
embalse de Gorple, UK. [22]
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El agua recolectada fue filtrada por
membrana de 0.45um y tratada con un
proceso avanzado de oxidación. En el ensayo
se variaron diferentes concentraciones de
hierro como catalizador, peróxido de
hidrogeno, pH e intensidades de radiación a
254 nm. Las variables medidas como
indicativo de la reducción de la materia
orgánica fueron el carbono orgánico disuelto
y la absorbancia a 254 nm. Una vez conocida
la cantidad de reactivos que aportaba la
mayor eficiencia en el proceso, se procedió a
encontrar el tiempo en el que se produce el
mayor porcentaje de reducción de materia
orgánica (Ver Figura 1).
Figura 1. Seguimiento en el tiempo de la eficiencia de la reacción de fotofenton. pH=4.54, [Fe2+ =
0.5 mM, [H2O2] = 2.0 mM, initial DOC = 17.4 mg l-1, UV254 inicial = 53.58 m-1. [22]
Los resultados encontrados muestran que el
tratamiento de la materia orgánica natural
por la reacción de foto fenton puede hacerse a
pH natural del embalse agregando peróxido
de hidrogeno a una concentración de 2.0 mM
y con una concentración de sulfato ferroso de
0.5 mM. Además, que después de un minuto
de tratamiento disminuye el DOC en 88%, lo
que quiere decir que el DOC inicial de 17.4
disminuye a 2.1 mg.L-1.
Por otro lado se encontró que en general, el tratamiento por reacción de Fotofenton resulta ser el más eficaz para la reducción de UV254 y DOC en embalses en comparación con otros procesos que reportan en el tratamiento de materia orgánica. Las eficiencias en las condiciones optimizadas son comparables con los procesos convencionales, tales como la coagulación. Además que una dosis de UV-C a 6 J cm-2 combinado con 1.5 mM H2O2 puede reducir el COD en más de 50 %. Por último, se encontró que el parámetro que mejor se ajusta al análisis de la reducción de la materia orgánica natural con Fotofenton es el COD, esto se debe principalmente a que el peróxido utilizado en el procedimiento puede interferir con la lectura real en el equipo. Control de MON en embalses mediante
procesos de aireación
La inyección de aire en cuerpos de agua
puede favorecer una cadena de reacciones,
principalmente de oxido reducción, entre
ellas procesos de nitrificación [23], reducción
de los niveles de CO2 y H2O, mezcla el agua
reduce la estratificación e incrementa los
niveles de oxigeno disuelto en el agua
En estanques para peces se probo la aireación
para controlar los procesos de acumulación
de carbono, resultando en una disminución
en la tasa de enriquecimiento de carbono
orgánico total en el fondo[24].
Se ha encontrado que la aireación facilita
procesos de oxidación biológica de alcoholes
primarios, alcoholes secundarios y aldehídos
[25], y la remoción de compuestos orgánicos
volátiles por despojo con aire ha sido útil para
eliminar los posibles compuestos orgánicos
halogenados de bajo peso molecular y
aquellos aportadores de olor y sabor [26].
En un estudio realizado por Pirkle et al
(2006) , se evaluó paralelamente el efecto que
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tenía la aireación sobre el control de
compuestos orgánicos precursores de
trihalometanos (PTHMs ) en aguas
provenientes de un embalse (RSV) y su
respectiva planta de tratamiento (PTAP),
mediante filtración directa en línea en
Kentucky, USA. Las muestras fueron
sometidas a aireación con una velocidad
controlada por un periodo de 16 horas, se
determinaron los potenciales de
oxidoreduccción iniciales y finales (ORP), y se
cuantificó la cantidad de PTHMs mediante
cromatografía de gases con detector de masas
y se expresó como la suma de CHCl3, CHBrCl2,
CHBr2Cl y CHBr3, luego de una incubación con
cloro durante 7 días [19].
Se pudo observar la oxidación ocurrida en
todas las muestras que fueron aireadas en el
incremento de los valores de ORP. Estos
cambios en las condiciones redox podrían dar
lugar a una variación de la estructura de la
comunidad microbiana y como previamente
se ha indicado, en la bibliografía la
importancia de los microbios,
particularmente los descomponedores, en la
formación de PTHMs [27]. Los resultados
obtenidos en este estudio, se pueden
observar en la Figura 2, en donde las
proporciones de las concentraciones
obtenidas para THMs para muestras
aireadas, A y muestras sin aireación, SA
(barras negras).tuvieron valores promedio de
0.63 y 1.03 para la PTAP y RSV
respectivamente
Figura 2. Respuestas a la aireación para RSV (a) y PTAP (b). Las barras muestran los errores estándar.[19]
Aunque de manera global se notó un
incremento del 3% en la concentración de
THMs respecto a las muestras no aireadas,
estadísticamente no hubo diferencia
significativa entre los dos tratamientos (p=
0.0826), éste resultado sugiere que la
aireación del agua tiene un buen efecto en la
disminución de PTMHs, y sería un
pretratamiento a considerar.
Otros experimentos que recurren a la
aireación en cuerpos de agua natural han sido
reportados; Cho & Lee en 2002, evaluaron la
aireación química mediante la utilización de
peróxido de calcio para controlar el
florecimiento de Microcystis aeuroginosa,
dado que se ha encontrado una relación
estrecha entre la prevalencia de algas y la
presencia de PTHMs [28], la utilización de
CaO2 puede controlar la carga orgánica
proveniente de la población fitoplanctónica
[29]. Las reacciones llevadas a cabo en este
procedimiento son las siguientes
CaO2 + 2 H2O → Ca2+ + 2 H2O2 → Ca2+ +
2OH- + 2 HO• → Ca(OH)2↓ + 2 HO•
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Los radicales libres producidos son unos
grandes agentes oxidantes y desinfectantes
con actividad alguicida comprobada, además,
el Ca(OH)2 resultante ha demostrado un
comportamiento similar a un coagulante por
barrido para células de algas. Durante estas
reacciones se producen una aireación
indirecta ya que el oxigeno es liberado
modificando así las condiciones redox del
agua. Los resultados de este estudio,
mostraron una inhibición severa de M.
aeuroginosa, y una disminución drástica en la
concentración de clorofila-a en presencia de
peróxido de calcio. Con una dosis de 200ppm
de CaO2, la concentración de clorofila-de
1,700mg/m3 fue disminuida hasta por
debajo del 10% de su valor inicial después de
4 días (Figura 3), posiblemente debido que la
adición de peróxido de calcio, controla el
contenido de fósforo dado que precipita en
forma de fosfato de calcio, ya que el fósforo es
un nutriente limitante para el desarrollo de
las algas[29]
Figura 3. Cambios en la concentración de clorofila-a con y sin peróxido de calcio CaO2 (200 ppm) fue
adicionado a cultivo de M. aeuroginosa.[29]
Tratamiento de agua cruda de embalse por ultrafiltración (Producción de agua potable). Debido a que la formación de Trihalometanos en plantas de potabilización representa un gran peligro para los usuarios, la utilización de membranas toma un papel importante en procesos de remoción de materia orgánica. En comparación con los procesos convencionales de remoción de materia orgánica, el empleo de membranas tiene la ventaja de ser un proceso libre de agentes químicos, alta remoción de lodos y además fácil de automatizar [30].Esta tecnología se aplico en el embalse Bixian en China, la importancia del trabajo radica en la disminución efectiva de la materia orgánica natural del agua cruda y la disminución de compuestos mutagénicos por medio del test de AMES. Las condiciones iniciales del agua del embalse se registran en la Tabla 3.
Tabla 3. Valores promedio de las características del
embalse Binxian, China.[30]
Las membranas utilizadas son de fibra hueca para ultrafiltración, hechas de poliacrilamida y con un tamaño de poro de 50000 Dalton. Además los capilares pueden operar en un rango de pH entre 4 y 9. La ubicación de la membrana en el proceso aparece en la Figura 4.
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Figura 4. Diagrama de flujo de los aparatos de UF y
lavado.[30]
En el trabajo se encontró que la Ultrafiltración (UF) de agua del embalse es útil en el tratamiento de agua potable. El flujo de la membrana disminuye con el aumento de la turbidez del agua de alimentación., además, hay una relación lineal entre el flujo de permeación y el logaritmo de la turbidez. Este estudio indica que la UF directa de agua de embalse puede producir agua potable de calidad aceptable. A diferencia del tratamiento convencional, la tecnología de UF muestra un buen comportamiento en la eliminación de partículas y turbidez. En el test de Ames, se observa un efecto positivo en los extractos de agua cruda dosis-dependiente, mientras que en el agua filtrada por las membranas no se observa genotoxicidad. Esto indica la remoción de materia orgánica o sustancias con potencial actividad genotóxica. Tratamiento químico con Sulfato de cobre en un lago eutrofizado con poca profundidad. Un gran problema que emerge de la acumulación de materia orgánica en los embalses es la eutrofización, esta se deba principalmente al crecimiento de microalgas que producen toxinas con gran impacto sobre la salud humana (Hepatoxidad) como Microcystis sp y algunas macrófitas como Eicornia sp (Buchón de agua). El crecimiento de macrófitas está relacionado con la perdida de navegabilidad en embalses, disminución
del volumen de agua aprovechable, e interferencia sobre el equilibrio de gases como oxigeno y Dióxido de carbono. En un trabajo realizado en el lago Courtille en Francia (Uso para recreación) con los siguientes parámetros iniciales [31]. Ver Tabla 4.
Tabla 4. Parámetros fisicoquímicos de la calidad del
agua del Lago Courtille, Francia.[31]
Se encontró en una prueba piloto que el tratamiento con sulfato de cobre disminuye la cantidad de clorofila a, un indicativo de la eutrofización en embalses. Sin embargo, se afectaban algunos parámetros tales como oxigeno disuelto, pH y la naturaleza de la materia orgánica (Ver Figura 5).
0 20 40 605.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
Time(Days)
DO
C (
mg
/L)
Figura 5. Distribución de la materia orgánica disuelta
(COD).[31]
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Aunque los objetivos del trabajo estaban enfocados en la reducción de contenido de biomasa en el agua con sulfato de cobre, se encontró una disminución significativa en el contenido de carbono orgánico disuelto (COD) cercano a 1 mg/L. Esto se debe quizás, a que algunos cationes metálicos divalentes tales como Ca+2 y Cu+2 son agentes desestabilizadores en sistemas acuáticos. Ellos permiten que las partículas orgánicas coloidales coagulen [31]lo que explica la disminución del contenido de COD. Por último, las cianobacterias se mantuvieron controladas durante el verano. Como era de esperar Clorofila-a disminuyó dos días después del tratamiento con cobre y la Microcystis sp desapareció por completo. La calidad del agua se ajusta a las normas de uso para recreación de Francia en la temporada turística, ya que el contenido de cobre vuelve a su nivel sólo en 2 meses después de la aplicación de sulfato de cobre (64 mg/L Cu+2). La importancia del control de algas radica en que se ha reportado que estas son responsables de PTHMs [28]. Tratamientos Biológicos. En la actualidad los tratamientos biológicos aplicados en embalses no son muy comunes, sin embargo se han reportado algunos trabajos del análisis de procesos de biodegradación de algunas sustancias de origen antropogénico con el fin de optimizar los procesos y aplicarlos en ambientes acuáticos y procesos de potabilización. Biodegradación de plaguicidas.
Debido a que numerosos microorganismos
utilizan contaminantes orgánicos como
fuente energética, la biodegradación es uno
de los factores naturales más importantes en
la reducción de la persistencia de
xenobióticos y su toxicidad en los
ecosistemas acuáticos y terrestres [32]. En el
proceso de biodegradación los
microorganismos utilizan gran variedad de
enzimas encargadas de la modificación
estructural de plaguicidas. Algunas como
esterasas, hidrolasas, fosfatasas, peroxidasas,
ligninasas entre otras están involucradas en
procesos de degradación de plaguicidas
organofosforados, organoclorados y
carbamatos.
Los microorganismos que participan en procesos de biodegradación se encuentran en el suelo, agua o sedimento y su actividad sobre los plaguicidas puede ser en condiciones aeróbicas o anaeróbicas. La biodegradación de fipronil, un plaguicida ampliamente utilizado en Estados Unidos ocurre en un intervalo de 5-19 días en el sedimento bajo condiciones anaeróbicas mientras que en condiciones facultativas ocurre en un tiempo de 25 a 91 días [33]. Esto demuestra que las condiciones ambientales son muy importantes en la biodegradación de sustancias orgánicas. En algunas ocasiones los procesos de degradación natural se favorecen cuando ocurren en serie, por ejemplo se ha reportado que la hidrólisis inicial de organofosforados conduce a la formación de p-nitrofenol, el cual es fácilmente degradado a hidroquinona y 1,2,4-benzeno triol por bacterias como Pseudomona putida. Este metabolito es menos tóxico que el compuesto parental [34]. En organoclorados, se ha encontrado que la deshalogenación ocurre en condiciones anaeróbicas, además, que las bacterias Enterobacter aerogenes y Klebsiella pneumoniae participan en estos procesos [35].La degradación de DDT ocurre en condiciones anaeróbicas y por vía ácido clorobenzoico [36].
El conocimiento de las condiciones de biodegradación natural, de las enzimas responsables y de la influencia de otros factores naturales, se han empleado con el fin de optimizar los procesos que buscan reducir la concentración de contaminantes en el ambiente. En un estudio de bioremediación se encontró que algunos microorganismos en
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presencia de hierro, mediante algunas reacciones bioquímicas logran intervenir en procesos de oxido-reducción de contaminantes orgánicos y metales. Aunque los metales no son biodegradables, en algunas ocasiones la forma reducida del metal es menos soluble y por lo tanto son removidos por precipitación. Ver tabla 5.
Tabla 5. Esquema de reacciones de oxido-reducción en la que intervienen algunos microorganismos [37]
Este conocimiento ha permitido la implementación de técnicas orientadas hacia la reducción de contaminantes en el ambiente. La manipulación genética de microorganismos que participan en la biodegradación, constituyen soluciones muy importantes al problema de la contaminación por contaminantes alóctonos.
CONCLUSIONES Y DISCUSIONES
Aunque la mayoría de los tratamientos
actuales para la remoción de MON, se llevan
a cabo en plantas de potabilización (PTAP),
un proceso que permita controlar los niveles
de MON desde la fuente puede implicar una
disminución en los costos de los tratamientos
posteriores. Dado el riesgo que representa la
presencia de grandes concentraciones de
MON durante el proceso de potabilización,
por la generación de THMs y formación de
biopelículas, los manejos que se realicen en la
fuente ( p.e. en embalses), se enfocan
esencialmente en disminuir los niveles de
sustancias húmicas, nutrientes y control de
poblaciones de algas. Como se mostró en las
bibliografía citada, los primeros procesos
para controlar las sustancias húmicas, fueron
procesos de oxidación que se desarrollaron
progresivamente desde usar simple
aireación, oxidantes convencionales hasta
llegar a procesos avanzados. La aireación con
aire, por no requerir de sustancias químicas
adicionales, se convierte en una buena opción
desde el punto de vista ambiental, pero como
inconveniente presenta una baja eficiencia,
dado que la MON requiere condiciones más
drásticas para oxidación que metales como Fe
y Mn. Además, este proceso requiere una alta
demanda energética, comparada con las
otras alternativas. Por otro lado, el uso
permanganato de potasio como agente
oxidante, aunque es más eficiente, demanda
un tratamiento posterior para el manganeso
reducido formado, pero podría considerarse
dado que éste último es un parámetro de
regulación secundaria versus la remoción de
PTHMs (parámetro de regulación primaria).
Otras sustancias de mayor costo pueden ser
una buena alternativa, dado que los
subproductos de las reacciones no exigen una
tratabilidad posterior como el caso del
peróxido de calcio , reportado por Cho en
2002, el cual promueve oxidación,
precipitación de fosfatos y eliminación de
algas,(aunque en este estudio no se realizaron
medidas directas de fuentes de carbono) la
concentración algal y clorofila a, los cuales
han sido relacionados con PTHMs, se
redujeron drásticamente(Ver Figura 3) [29],
mientras que con la aireación en el caso
reportado[19], hubo incremento cercano al
3% en la concentración de THMs. El uso de
sulfato de cobre también produjo bueno
resultados en el control algal, pero no tiene
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un efecto oxidante que pudiera remover
eficiente mente la MON.
Dado que los procesos de UF, fotofentom,
requieren un infraestructura más compleja y
condiciones más controladas, los
experimentos difícilmente pueden llevarse a
cabo en campo, implicando un incremento en
costos, en contraste a este factor, los
resultados mostrados a escala experimental
con agua de embalses pueden alcanzar
reducciones hasta del 50% en el COD, y aguas
tratadas de excelente calidad. En cuanto a los
procesos biológicos en los embalses, dadas
que las condiciones de trabajo para la
biodegradación depende principalmente de
las condiciones difícilmente controladas que
presenta el medio, el aprovechamiento de
ellos depende básicamente de estudiar su
dinámica, caracterizar organismos
involucrados y prever las condiciones que
puedan estimular una mayor tasa de
mineralización de MON por parte de estos
descomponedores.
Finalmente, la elección de un tratamiento que
pueda mitigar el contenido de MON ha de ser
de manera integral, considerando los
procesos futuros, logrando un buen acople
con el diseño en la PTAP implementando
estrategias de manejo eficiente de las fuentes
que permitan disminuir la carga orgánica en
estos cuerpos de agua
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