El potencial redox, I

ValoraciValoracióó del potencial redox en el del potencial redox en el control de la control de la qualitatqualitat de lde l’’aigua aigua

regeneradaregenerada

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.

REUTILIZACIREUTILIZACIÓÓN y SEGURIDAD SANITARIA N y SEGURIDAD SANITARIA

ESCASEZ DE RECURSOS HÍDRICOS

TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES

EFLUENTE REGENERADO

Filtro de arena Luz ultravioleta

Laberinto de cloración

HumedalesLagunaje




EFLUENTE REGENERADO



HumedalesLagunaje

MÚLTIPLES USOS: Riego de campos de cultivo

Riego de zonas verdes

Actividades industriales

Recarga de acuíferos

Usos medioambientales y recreacionales

Usos urbanos no potables




EFLUENTE REGENERADO



HumedalesLagunaje

MÚLTIPLES USOS: Riego de campos de cultivo

Riego de zonas verdes

Actividades industriales

Recarga de acuíferos

Usos medioambientales y recreacionales

Usos urbanos no potables

GARANTIZAR NIVELES DE RIESGO ACEPTABLES PARA LA SALUD DE LOS

USUARIOS

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 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.

Los Planes de Seguridad del Agua en EDAR’s

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.


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.


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.


c) Un buen mantenimiento preventivo.Debe permitir la reducción al mínimo de las averías imprevistas aumentando la fiabilidad del sistema.


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.

• 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.

Parámetros de control

• Hemos de garantizar un sistema fiable, para tener un agua segura.

Así, en las pequeñas EDAR, con posibles restricciones….

Posible utilización de medidas de potencial de oxido-reducción, como parámetro en

continuo en el control de la EDAR.

Posible utilización de medidas de potencial de oxido-reducción, como parámetro en

continuo en el control de la 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

Aumento de niveles de cloro Aumento del potencial redox

• 16 concentracions diferents de clor entre 1- 200 ppm

Inactivación microorganismos, en relación con el potencial redox (cloro)

Aumento del potencial redox Aumento inactivación de microorganismos

E. coli > SOMCPH ~ SCR



E. coli > SOMCPH ~ SCR



E. coli > SOMCPH > SCR


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

Hay un aumento significativo del potencial redox, a lo largo de los tratamientos de las plantas.

Niveles potencial redox, según puntos de muestreo

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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 colifagossomáticos, según puntos de muestreo

Esporas de clostridios Coligafos somáticosreductores de sulfito

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. coliy algo inferior en las esporas de clostridios y los colifagos somáticos.

Análisis discriminante


Porcentaje de casos clasificados correctamente: 92,4 %

Porcentaje de casos clasificados correctamente:

84,8 % 90,9%Esporas de clostridios Colifagos somáticos


• Relación redox - calidad microbiológica. Establecimiento de valores límite.

• Descripción de las plantasTERCIARI

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 colifagossomáticos.

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%.

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)

Relación redox - E. coli

• 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

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.

Relación redox - E. coli, según categorias

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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.

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.

Establecimiento de un valor límite, I

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.

Establecimiento de un valor límite, II

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, [email protected] Microbiologia d’aigües relacionada amb la salut

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El potencial redox, I