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Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica

versão impressa ISSN 0123-4226

rev.udcaactual.divulg.cient. vol.17 no.2 Bogotá jul./dez. 2014

 

CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES-Atículo Científico

MONITOREO Y MEDICIÓN DEL AJUSTE DEL pH DEL AGUA TRATADA DEL RÍO CAUCA MEDIANTE ÍNDICES DE ESTABILIZACIÓN

MONITORING AND MEASUREMENT BY STABILIZATION INDICES OF pH ADJUSTMENT OF TREATED WATER FROM THE CAUCA RIVER

Karen Alejandra Bueno-Zabala1, Patricia Torres-Lozada2, Luis Germán Delgado-Cabrera3

1 Ingeniera Sanitaria, Magíster en Ingeniería. Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental. Universidad del Valle, Cali, Colombia, Calle 13 # 100 - 00, e-mail: karen.bueno@correounivalle.edu.co

2 Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle, Cali - Colombia. Magíster y Doctora en Ingeniería Civil, énfasis Hidráulica y Saneamiento, Profesora Titular, Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental. Universidad del Valle, Cali - Colombia, Calle 13 # 100 - 00, e-mail: patricia.torres@correounivalle.edu.co

3 Ingeniero Sanitario, Universidad del Valle, Cali - Colombia. Asesor Independiente - EMCALI EICE ESP. Cali - Colombia, Calle 4 # 35 - 50, e-mail: lgdelca@gmail.com

Rev. U.D.C.A Act. & Div. Cient. 17(2): 563-575, Julio-Diciembre, 2014


RESUMEN

Los bajos niveles de alcalinidad de las fuentes de abastecimiento y la adición de productos químicos para la coagulación y la desinfección utilizados en la potabilización del agua, generan la necesidad de realizar procesos de ajuste del pH, como última etapa del tratamiento, con el fin de evitar fenómenos de agresividad, de corrosión o de incrustación, en los Sistemas de Distribución del Agua potable - SDA. Este artículo presenta los resultados de la aplicación de diferentes índices de estabilización para el monitoreo y el control del proceso de ajuste del pH del agua tratada del río Cauca, del cual, se abastece el 80% de la ciudad de Cali. Los índices se calcularon, tanto con información histórica como con los datos de seis jornadas de caracterización del agua tratada, encontrándose que ésta tiende a ser insaturada y corrosiva, lo que indica la necesidad de ajustar las condiciones del último proceso, evaluar otros tipos de alcalinizantes y continuar promoviendo la renovación de tuberías, en el SDA de la ciudad.

Palabras clave: Agua potable, juste del pH, sistema carbonato, distribución de Agua - SDA, tratamiento de agua.


SUMMARY

Low alkalinity levels of the supply sources and the addition of chemical coagulation and disinfection products for water purification, generates the need of the pH adjustment processes as the final treatment stage, in order to avoid phenomena of aggressiveness, corrosion or incrustation in the drinking water distribution system DWDS. This article presents the results of the a application of different stabilization indexes for monitoring and the measurement of the pH adjustment process of the treated water from the Cauca River, which supplies 80% of the city of Cali. The indexes were calculated using historical information as well as data from six characterizations of the treated water, finding that this water tends to be unsaturated and corrosive, which indicates the need to adjust the conditions of the latter process, evaluate other types of alkalizing products and continue promoting the renovation of pipes in the DWDS in the city of Cali.

Key words: Drinking water, pH adjustment, carbonate system, distribution system - DWDS, water treatment.


INTRODUCCIÓN

En el tratamiento químico del agua, la coagulación altera el equilibrio del sistema carbonato, tendiendo a disminuir el pH, cuando el coagulante se diluye, debido a la hidrólisis que libera iones hidrógeno y reduce la alcalinidad. Igualmente, la desinfección con cloro reduce la alcalinidad y el pH, por las propiedades ácido-base del cloro que, al hidrolizarse, forma el ácido hipocloroso, que se disocia en iones de hidrógeno (WHO, 2011). Estos fenómenos hacen necesario reajustar el balance químico del agua al final del tratamiento, para asegurar su estabilidad en el sistema de distribución del agua - SDA (Trejo Vázquez & García Díaz, 2007; Edzwald, 2010).

El ajuste químico del pH permite reducir la capacidad corrosiva del agua y evitar las incrustaciones (Casey, 2009), siendo la solución más común, de fácil aplicación y de bajo costo, comparada con la rehabilitación de los Sistemas de Distribución de Agua - SDA y consiste en mantener una deposición controlada de la película de carbonato de calcio (CaCO3), sobre la superficie de las tuberías (De Sousa et al. 2010).

Los métodos de monitoreo y de medición del proceso de ajuste del pH pueden ser directos o indirectos; los directos (inspección física, análisis químico y técnicas microscópicas) proporcionan información sobre la situación actual de la sección de tubería analizada, siendo necesario realizar varios análisis, que evalúen el estado del SDA; estos métodos requieren de inspección continua, al menos de 90 días, con personal capacitado, equipos especializados y análisis de laboratorio, que generan mayores costos en la evaluación del proceso de ajuste del pH (Schock, 2002).

Los métodos indirectos (pruebas hidráulicas, registro e informe de quejas de los consumidores e índices de estabilización-IE) son una alternativa más simple, económica y de mayor rapidez que, en su conjunto, pueden presentar un análisis preventivo del ajuste del pH (Schock, 2002; Trujillo et al. 2008). Los IE permiten efectuar un control rápido y fácil del proceso y estimar o predecir las posibles consecuencias de la calidad del agua tratada sobre el SDA (Furtado et al. 2011); sin embargo, muchos de ellos han sido mal aplicados, en particular, cuando no se comprenden los principios fundamentales por los que fueron desarrollados y no se reconocen sus limitaciones (Schock, 2002; Birnhack et al. 2011).

En el agua cruda del río Cauca, que es la fuente de abastecimiento de, aproximadamente, el 80% de la población caleña, predominan bajos niveles de alcalinidad total, lo que, junto con el uso de productos químicos, que también reducen el pH por el consumo de alcalinidad y los daños que se presentan en el SDA, determinan que el proceso de ajuste del pH sea uno de los aspectos críticos del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable - SAAP de la ciudad de Santiago de Cali (Pérez-Vidal et al. 2012). El objetivo de este artículo es presentar los resultados de la determinación de diferentes IE en el agua tratada del río Cauca y, con base en estos resultados, plantear recomendaciones, que pueden ser útiles para el mejoramiento del proceso de ajuste del pH.

MATERIALES Y MÉTODOS

La primera etapa del estudio fue la identificación de los IE de mayor aplicabilidad para el control del proceso, la cual, se realizó mediante una amplia revisión de literatura, consultando fuentes primarias y secundarias, libros, tesis y reportes nacionales e internacionales, relacionados con el proceso. Con esta información, se realizó un análisis comparativo, con base en diversos aspectos, como variables requeridas para el cálculo, ecuaciones necesarias para determinar las variables no calculadas de manera rutinaria en la operación de las plantas, interpretación de los resultados de cada índice, utilidad y limitaciones.

La identificación de los IE de mayor aplicabilidad para el seguimiento del proceso de ajuste del pH en los SDA permitió realizar la etapa dos del estudio, que consistió en determinar estos IE, tanto con información histórica (datos diarios de la calidad del agua tratada, periodo 2010-2011, disponible en EMCALI EICE ESP) como con los resultados de seis jornadas de muestreo de 5 horas. Para el manejo de los datos, se aplicó un análisis estadístico descriptivo de indicadores de tendencia central, como la media, mediana, mínimos, máximos y cuartiles.

Finalmente, con base en el desarrollo y el análisis de los resultados de las etapas anteriores, se identificaron opciones para controlar y evaluar el proceso de ajuste del pH, lo que, finalmente, permitió proponer recomendaciones que podrían mejorarlo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La tabla 1 presenta una síntesis de los IE de mayor aplicabilidad, para el control del proceso de ajuste del pH, detallando las principales características de cada índice y resaltando aspectos, como la interpretación, la utilidad y las limitaciones, además de otras características, como simplicidad, tiempo de respuesta e influencia del material.

El ISL e IFC indican si el agua se encuentra en equilibrio respecto a la formación de la película de CaCO3, siendo útiles, inicialmente, para proporcionar las condiciones de sobresaturación en un SDA y aplicados a aguas blandas que, normalmente, se derivan de las cuencas altas (concentraciones de alcalinidad y dureza < 50mg/L) (Gray, 2008; De Sousa et al. 2010; Birnhack et al. 2011).

Los resultados de estos dos IE deberían ser positivos, lo que indicaría que mantenerlos en el tiempo representaría un impacto en la resistencia a problemas, como la corrosión (Loewenthal et al. 2004; Imran et al. 2005). En muchos casos, el ISL se ha utilizado inadecuadamente como solución para los problemas de corrosión (McNeill & Edwards 2001; Imran et al. 2005), debido a que éste no tiene en cuenta la influencia de otros factores que aportan corrosión, como los iones cloruro y sulfato, la concentración de oxígeno disuelto, la velocidad de flujo, entre otros (Loewenthal et al. 2004).

Otra limitación de estos IE es que no predicen la cantidad de CaCO3 que precipitará en el SDA, por lo que autores, como Imran et al. (2005) y Birnhack et al. (2011), recomiendan que su aplicación sea acompañada con el índice PPCC, que representa la cantidad teórica aproximada del CaCO3 que podría precipitar sobre la superficie de una tubería. Otros autores, como Merrill & Sanks (1977) y Loewenthal et al. (2004), sugieren valores de PPCC entre 4 - 10mg/L; sin embargo, cada SDA posee características propias y, por lo tanto, los valores adecuados se deben obtener realizando ensayos in situ.

Algunos de los IE tienen aplicación para tipos específicos de materiales de la tubería del SDA, tales como el IA, RL e IER. El IA, se basa en el pH y la solubilidad del carbonato de calcio, considerado una forma simplificada del ISL, siendo una herramienta de gran utilidad en la selección de materiales del SDA o en las opciones de tratamiento, para el control de la corrosión; no obstante, se debe tener en cuenta que se utiliza como medida de tendencia del agua a deteriorar la estructura de tuberías de asbesto cemento (Singley, 1981; Schock, 2002; Imran et al. 2005; Trujillo et al. 2008).

Los índices RL e IER son utilizados para aguas con mayor concentración de dureza y de alcalinidad (Schock, 2002; Trujillo et al. 2008); el RL, se desarrolló a partir del comportamiento corrosivo que aportan los cloruros y los sulfatos, con respecto a las propiedades protectoras del bicarbonato, siendo aplicable para tuberías metálicas (Schock, 2002; Imran et al. 2005) y, el IER, es comúnmente utilizado, pero no ofrece ventajas tangibles comparadas con otros métodos, para calcular el estado de saturación del carbonato de calcio y su potencial de deposición (Schock, 2002), siendo, además, utilizado para tuberías de acero (Singley, 1981; APHA et al. 2005; Imran et al. 2005; Trujillo et al. 2008; De Sousa et al. 2010).

Los anteriores IE, se pueden emplear directamente en las plantas de potabilización, para evaluar el proceso de ajuste del pH; otros IE, como la RLM y el ICR, muestran el efecto del proceso directamente en el SDA, ya que consideran otras variables que dependen, tanto del equilibrio químico del agua como del transporte de la misma (tiempo de retención hidráulico, CO2, sodio, nitratos, OD y silicatos, entre otras) (Imran et al. 2005; Trujillo et al. 2008; De Sousa et al. 2010).

Los métodos gráficos, como los diagramas de Caldwell-Laurence modificados y Mojmir-Mach, determinan el equilibrio de saturación del CaCO3 y la agresividad del agua; estos métodos permiten determinar las dosis de alcalinizante requeridas para generar aguas con tendencia a precipitar CaCO3 (Merrill & Sanks, 1977; RAS, 2000); sin embargo, se requiere un software especializado para obtener resultados, en corto tiempo, y verificarlos con aplicaciones prácticas (Benefield & Morgan, 2002; Trujillo et al. 2008).

De acuerdo con el análisis anterior, las características del SDA de la ciudad de Santiago de Cali y la información disponible, los índices que fueron seleccionados para ser determinados con los datos históricos y las jornadas de muestreo fueron: Índice de saturación de Langelier-ISL, Índice de fuerza de conducción de Mc Cauley-IFC, Potencial de Precipitación de Carbonato de Calcio-PPCC, Índice de agresividad-IA, relación de Larson-RL e Índice de estabilidad de Ryznar-IER.

La tabla 2 muestra el resumen del análisis estadístico de indicadores de tendencia central de los registros históricos, suministrados por EMCALI EICE ESP, correspondiente al periodo 2010 - 2011 y los monitoreos de calidad del agua tratada del río Cauca.

Se observa que la alcalinidad total y dureza cálcica, presentan concentraciones menores de 40 mgCaCO3/L, valor recomendable para promover la formación de la película de carbonato de calcio en el SDA, lo que indica la necesidad de buscar estrategias para incrementar estos valores, ajustando el pH, de acuerdo a los materiales utilizados en cada SDA (Merrill & Sanks, 1977; Varó Galváñ et al. 2004; WHO, 2011).

Aunque los cloruros y los sulfatos tienden a fomentar la corrosión mediante la formación de una película de óxido (Loewenthal et al. 2004), los niveles en el agua tratada del río Cauca son menores 50 mg/L -valor que indica corrosividad, según Gray (2008)-. Este comportamiento, se relaciona con la conductividad, ya que representa una parte de los cloruros y al contener bajas concentraciones (<50 mgCl-/L), los niveles de conductividad no superan los 1000microsiemens/ cm, establecido en la Resolución 2115 de 2007 (Imran et al. 2005; MPS & MAVDT, 2007).

La tabla 3 muestra los resultados de la determinación de los IE seleccionados, encontrándose que, en general, el agua presenta condiciones insaturadas respecto al CaCO3 y con tendencia a la corrosión.

Según el ISL, el agua es insaturada (valores negativos), debido a la baja alcalinidad del agua (Tam & Elefsiniotis, 2009; Wilczak et al. 2010). El máximo ISL determinado con los datos históricos (0,24), estuvo relacionado con un agua tratada, con pH aproximado de 8.8 unidades, mientras el RAS (2000), reglamenta un ISL de 0.2. Varó Galváñ et al. (2004) sugieren un valor inferior a 0.5 e Imran et al. (2005) y De Sousa et al. (2010), entre 0,2 - 1,0.

El IFC también clasifica el agua como insaturada. Según Benefield & Morgan (2002), los valores bajos de calcio y de carbonatos no permiten llegar al equilibrio ni mantener una capacidad buffer. Tanto el ISL como el IFC son útiles para proporcionar las condiciones de saturación respecto al CaCO3; sin embargo, no predicen la cantidad de CaCO3 que se precipitará en el SDA, siendo recomendable su uso, de manera complementaria con el PPCC (Imran et al. 2005; Birnhack et al. 2011).

Los valores negativos del PPCC indican que el CaCO3 no tiende a precipitarse; el valor máximo presentado (0.2) correspondió a un agua con alcalinidad de 32,3 mgCaCO3/L, la cual, se encuentra dentro del rango para la alcalinidad de equilibrio (Alkeq: 27,3 - 36,7 mg CaCO3/L), siendo este mismo valor el que presentó un ISL positivo. Merrill & Sanks (1977) y Loewenthal et al. (2004) recomiendan que se deben generar valores de PPCC entre 4-10 mg/L, lo que se lograría si el agua tratada del río Cauca alcanzara una alcalinidad promedio entre 34 - 44 mg CaCO3/L.

El IA presentó valores cercanos a 10,0, lo que permite clasificar el agua como moderadamente agresiva (10 - 12), según Tam & Elefsiniotis, (2009), debido a la baja alcalinidad al final de la potabilización.

Con base en la RL, Trujillo et al. (2008) y Agatemor & Okolo (2008) muestran que el bajo nivel de bicarbonatos, en relación con los cloruros y sulfatos, es un factor importante, que influye en la tendencia corrosiva del agua, sugiriéndose un RL entre 0,2 - 0,3 (expresando las variables en mol/L), promoviendo características de alcalinidad total y dureza cálcica, de 30,5 mgCaCO3/L (Melidis et al. 2007). El agua tratada del río Cauca, por presentar concentraciones de alcalinidad por debajo de 40 mgCaCO3/L, registró valores promedio de RL, entre históricos y monitoreos, de casi el doble del límite que clasifica el agua con fuerte potencial de corrosión para las tuberías metálicas. Por lo tanto, teniendo en cuenta que una de las limitaciones de este índice son los valores de alcalinidad, se sugiere no aplicarlo para aguas, como las del agua tratada del río Cauca.

Según el IER, el agua es corrosiva para las tuberías de acero; sin embargo, debido a que este material representa sólo el 1,2% del SDA de Santiago de Cali, se sugiere no emplearlo; además, de que no es aplicable a aguas con baja alcalinidad (De Sousa et al. 2010). Autores, como Varó Galváñ et al. (2004) indican que aún no existe un índice de estabilización de pH que sea aplicable universalmente, así como Imran et al. (2005) y De Sousa et al. (2010), quienes plantean que no se ha desarrollado un IE que represente el comportamiento global del agua en un SDA. En el caso del SDA de la ciudad de Santiago de Cali, los ISL, IFC, PPCC, IA, RL e IER pueden ser empleados en la planta de potabilización evaluada; no obstante, la determinación de PPCC requiere un proceso iterativo de ensayo y error, para obtener las condiciones de equilibrio al no contar con la aplicación de un software especializado.

El ISL y el IFC tienen una relación tenue con las tasas reales de corrosión en los SDA, pero aún no se descarta su importancia en el proceso de ajuste del pH, ya que son indicadores de saturación del agua respecto al CaCO3 que, al mantener un cambio sostenido en el pH, tendría un impacto definitivo en la resistencia a la corrosión de las tuberías viejas (Imran et al. 2005), pero no se deben utilizar para ningún otro propósito.

El IA indica las condiciones del agua en las tuberías de AC; este material es uno de los de mayor aplicación en los SDA y ocasionan mayores daños, debido a las características químicas del agua, como aguas blandas y los suelos donde se instalan (Hu & Hubble, 2007; Pérez-Vidal et al. 2012). En el caso del SDA de la ciudad de Santiago de Cali, está conformado por PVC (51,6%), asbesto cemento - AC (31,9%), hierro (fundido, dúctil, galvanizado) (11,5%), cilindros de acero revestidos en concreto - CCP (2,8%), acero (1,2%) y Polietileno de alta densidad (1%) y, adicionalmente, el tramo de tubería de AC, es el que presenta el mayor número de daños.

El PVC es altamente resistente a agentes químicos, mientras que el AC y el hierro favorecen los procesos de lixiviación de metales, lo que indica la necesidad de ajustar el pH a valores mayores a 8,5 unidades, según lo recomendando por la WHO (2011), para tuberías de AC; este ajuste no causaría problemas de incrustación de Mg(OH)2 en altas temperaturas, ya que las concentraciones promedio de magnesio, en este tipo de agua (3,06mg/L), se encuentran dentro del rango permitido (RAS, 2000).

Al propiciar mejores condiciones para la formación de la película de CaCO3 para el SDA de Santiago de Cali, se podrían aplicar los índices RL e IER, ya que, actualmente, no deben ser empleados por no ser recomendables para aguas con baja alcalinidad (Benefield & Morgan 2002; Varó Galváñ et al. 2004). Los demás índices, como RLM e ICR, deberían ser incluidos en futuros análisis en el SDA, puesto que consideran otras variables que influyen en el transporte del agua, tales como el tiempo de retención hidráulico, CO2, sodio, nitratos, OD y silicatos (Imran et al. 2005; Trujillo et al. 2008; De Sousa et al. 2010).

Actualmente, el producto aplicado en el proceso de ajuste del pH es la cal viva que, posteriormente, se hidrata - Ca(OH)2; sin embargo, este producto presenta inconvenientes, como insolubilidad de algunas sales e incremento de la turbiedad en el agua tratada (Di Bernardo & Sabogal Paz, 2008), por lo que se sugiere la evaluación de otros alcalinizantes, tales como hidróxido de sodio (NaOH), carbonato de sodio (Na2CO3), bicarbonato de sodio (NaHCO3), entre otros, que se han utilizado para aguas con baja alcalinidad (Maddison et al. 2001), como el agua tratada del río Cauca; además de ajustar los valores de alcalinidad total del agua tratada del río Cauca, entre 37 - 43mg CaCO3/L, para promover la formación de la película de carbonato de calcio en el SDA (Varó Galváñ et al. 2004; WHO, 2011).

Para el SDA de la ciudad de Santiago de Cali, se debe evaluar la posibilidad de continuar sustituyendo las tuberías de AC y hierro, que son materiales que favorecen la lixiviación de metales y causan el mayor número de daños. El PVC, que actualmente es el principal material del SDA, es altamente resistente a agentes químicos y propicio para la distribución del agua potable (Volk et al. 2000).

En general, este estudio permite concluir que la adecuada utilización de los índices de estabilización, como método indirecto de monitoreo desde las plantas de tratamiento, permite prever el comportamiento del agua en un SDA, valorando sus características agresivas, corrosivas o incrustantes. La aplicación de los índices de estabilización debe tener en cuenta su utilidad y sus limitaciones, para generar resultados confiables y acertados, siendo una alternativa económica y viable, que puede ser utilizada desde las plantas de tratamiento.

Este estudio permitió verificar que, efectivamente, la aplicación de un sólo índice no permite representar el comportamiento global del agua en un SDA, siendo recomendable utilizar, al menos, un índice, que proporcione información sobre la tendencia de precipitación de CaCO3 junto con el cálculo de la PPCC y otro que represente las necesidades del SDA, de acuerdo con el tipo de material de las tuberías.

La determinación de los diferentes índices permitió identificar que se deben mejorar las condiciones del ajuste del pH y que para esta agua no es recomendable usar los índices RL e IER, debido a los bajos niveles de alcalinidad. En caso de mejorarse esta condición en el proceso de ajuste del pH, su determinación sería útil, para identificar problemas de corrosión o de incrustación en tuberías metálicas y de acero.

Como estrategias de mejoramiento del proceso de ajuste del pH y de prevención de problemas en el SDA, se recomienda evaluar otros alcalinizantes, establecer correlaciones entre variables de fácil y rápida medición para el control operacional del proceso y continuar con la renovación de tuberías en el SDA, por materiales como el PVC.

Agradecimientos: Los autores agradecen el apoyo de EMCALI EICE ESP, por el suministro de la información histórica y facilitar la toma de las muestras del agua tratada del río Cauca, en la Planta de Potabilización de Puerto Mallarino (Cali, Valle), a la Universidad del Valle y a Colciencias. Conflictos de intereses: Certificamos la originalidad y el carácter inédito del manuscrito preparado y revisado con la participación de todos los autores, quienes declaramos que no existe ningún conflicto de intereses, que ponga en riesgo la validez de los resultados. Financiación: Este estudio fue financiado por Colciencias - Programa de fomento a la formación de investigadores (Jóvenes Investigadores e innovadores) y la Universidad del Valle, mediante el Proyecto ''Evaluación del proceso de estabilización del pH mediante la aplicación de índices y estabilizadores en el agua tratada del río Cauca''.

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Recibido: Febrero 27 de 2014 Aceptado: Agosto 27 de 2014