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Ozono
¿Por qué Todavía No lo Está Utilizando?
Por Greg Reyneke, MWS
E
l agua es uno de los bienes más preciados de nuestro
planeta. Es nuestro trabajo como expertos en gestión de
la calidad que el agua sea más limpia, mejor y más útil,
al mismo tiempo que se ahorran costos, conservando energía
y aliviando la carga de trabajo. Una de las herramientas que
se pasan por alto con mayor frecuencia en el arsenal de un
especialista en agua es el oxígeno, y más concretamente, el
alótropo triatómico que conocemos como ozono.
Historia y química
El ozono está compuesto de tres moléculas de oxígeno y
tiene una vida media muy corta en comparación con su primo
diatómico que todos respiramos: O2. Mientras que la humanidad
ha reconocido el olor del ozono como el olor de un rayo en una
tormenta de lluvia desde los albores del tiempo y el químico
holandés Martinus van Marum generó ozono eléctricamente
en 1785, el ozono fue aislado, reconocido y nombrado como
un alótropo del oxígeno en el siglo 19 por Christian Friedrich
Schönbein y Jacques-Louis Soret. La inestabilidad inherente
del ozono es lo que lo hace tan atractivo para un distribuidor de
agua; oxida todo lo que toca en el agua durante una media hora
a temperatura ambiente y luego se desvanece convirtiéndose
en O2 seguro, estable.
Generando ozono
En la naturaleza, el ozono se produce a través de la radiación
solar y los rayos. La generación de ozono sintético puede lograrse
a través de la descarga de corona, radiación UV, electrólisis y
reacciones radioquímicas. Cada método utiliza una carga externa
de energía para desglosar los enlaces moleculares estables
de O2 que permiten la formación de ozono (O3). Nosotros nos
centraremos en los dos métodos más comunes.
La descarga de corona (chispa fría) es ampliamente la
forma más común de generación de ozono comercial/industrial
en nuestra industria, ya que es capaz de producir más ozono
por unidad de carga eléctrica. La producción de ozono por
descarga corona utiliza una fuente de energía de alto voltaje,
ánodo, cátodo y un separador dieléctrico adecuado. El aire rico
en oxígeno pasa entre los electrodos mediante un dieléctrico,
creando un campo eléctrico (corona), lo que permite la formación
de ozono. El voltaje y la frecuencia de la carga eléctrica afectan
la producción de ozono. Los voltajes abarcan de 10 a 30 kV,
utilizando por lo general frecuencias entre 60Hz y 4 kHz. Por
lo general, se observan aumentos de producción a mayores
frecuencias, pero las frecuencias de operación más elevadas
pueden aumentar los costos de producción y las complicaciones
operativas. Los sistemas de descarga corona son sensibles a la
calidad del aire que ingresa y funcionan mejor con aire limpio, frío
y seco. Al introducir aire húmedo, puede formarse ácido nítrico,
lo cual causa graves problemas de rendimiento y mantenimiento.
Hay que mantener el aire de alimentación fresco y seco, y las
partículas filtradas a 5 micras o menos para garantizar mejores
resultados.
Luz ultravioleta. El ozono se produce mediante la reacción
de oxígeno con luz UV en el espectro de ~185 nm. La energía de
la luz ultravioleta causa la disociación de moléculas de oxígeno y
permite la formación de ozono. Estos sistemas son generalmente
la tecnología más económica de implementar, pero requieren una
carga de energía mucho mayor que la de la descarga de corona.
Uno de los beneficios que se promocionan sobre la generación
de ozono UV es que requiere poca o ninguna preparación de aire.
Sin embargo, hay que recordar que la calidad del ozono que se
produce está inevitablemente relacionada a la calidad del aire que
ingresa, por lo que sin darle aire limpio, altamente oxigenado, el
generador de ozono que utiliza luz UV producirá concentraciones
muy bajas de ozono y aún padecerá complicaciones potenciales
debido a la humedad.
Aplicaciones potenciales para la tecnología de
ozono
Desinfección del agua. El ozono es una alternativa viable
al cloro. El ozono mata más rápido que el cloro, sin crear los
mismos subproductos orgánicos volátiles de desinfección. El
ozono se utiliza de mejor manera como un complemento del
cloro, reduciendo significativamente la cantidad de cloro que se
utiliza al mismo tiempo que conserva un desinfectante activo
Fuente de la imagen:
The Innovative
Water Project
residual en el agua, mucho más allá de la vida media del ozono.
Sistemas CIP. Todas las instalaciones de producción de
alimentos, bebidas y vitaminas tienen una necesidad establecida
para soluciones no tóxicas, de limpieza in situ (CIP). El ozono
simplifica dramáticamente la limpieza in situ reduciendo los costos
de energía de calefacción, reduciendo la cantidad de productos
químicos de limpieza necesarios y eliminando los residuos
químicos desinfectantes
Torres de enfriamiento. El moho, hongos y bacterias son
preocupaciones importantes para los operadores de construcción
al proveer mantenimiento a las torres de refrigeración. Estos
contaminantes ensucian los intercambiadores de calor,
contribuyen a la corrosión inducida por microbios y por supuesto,
representan riesgos significativos para la salud respiratoria
humana. El tratamiento con ozono correctamente ejecutado
elimina eficazmente los organismos vivos y otros desafíos
orgánicos de la corriente de agua de recirculación, lo cual
ayuda en la reducción de adherencias de agua dura mediante la
eliminación de la biomasa.
Cascadas, fuentes y otros elementos acuáticos. La
tendencia hacia la humidificación cubierta decorativa y los ‘muros
vivientes’ ha dado lugar a un aumento masivo de la exposición
al agua atmosférica en viviendas y edificios. Los elementos
acuáticos pueden afectar negativamente la calidad del aire
en interiores si la contaminación bacteriana no se controla
adecuadamente. Mientras que muchos fabricantes de paredes de
agua de diseño desinfección UV en sus cámaras de recirculación,
la experiencia de campo muestra que el método más eficaz para
mantener las bacterias heterotróficas bajo control en este tipo
de aplicación es la inyección de ozono simple. El ozono también
ayuda en el control de olores de la descomposición orgánica y
minimizar la propagación de moho y hongos. La tendencia hacia
la humidificación cubierta decorativa y ‘muros vivientes’ ha dado
lugar a un aumento masivo de la exposición al agua atmosférica
en viviendas y edificios. Las características del agua pueden
llegar a ser importantes pasivos de calidad del aire en interiores
si la contaminación bacteriana no se controla adecuadamente.
Aunque muchos fabricantes de paredes de agua incorporan la
desinfección UV en el diseño de sus cámaras de recirculación,
la experiencia de campo muestra que el método más eficaz para
mantener las bacterias heterotróficas bajo control en este tipo
de aplicación es la inyección de ozono simple. El ozono también
ayuda a controlar los olores de la descomposición orgánica y a
minimizar la propagación de moho y hongos.
Remediación de aguas residuales. Las aguas residuales
se están haciendo cada vez más el foco de escrutinio de los
reguladores, ya sea de los distritos locales de alcantarillado o
de las autoridades federales. Esta es una fuente de ingresos
importante para los organismos reguladores y todo operador de
planta tiene que estar seguro de que los niveles de demanda
bioquímica de oxígeno (BOD), demanda química de oxígeno
(COD) y sólidos suspendidos totales (SST) se encuentran dentro
de las normas establecidas. El ozono y AOP son herramientas
muy valiosas en la consecución de estos objetivos de manera
económica y fiable.
Hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno. Una pesadilla
para los usuarios de agua rurales alrededor del mundo, cuestiones
tinción amplia del mundo, hierro y manganeso y causa del color
en el agua que afecta a los usuarios residenciales, comerciales
e industriales. El ozono oxida eficazmente el hierro ferroso en
una forma férrica que es fácilmente filtrada por el tratamiento
multimedios. Tiene el mismo efecto sobre la contaminación de
manganeso. Como beneficio adicional, el ozono es altamente
eficaz en la destrucción de bacterias reductoras de hierro y otras
bacterias relacionados con el hierro que contribuyen a los sabores
y olores indeseables, y a la mala estética en el agua. El sulfuro de
hidrógeno (H2S) y las bacterias relacionadas con el sulfato son
responsables de olores indeseables y condiciones de corrosión
en el agua de pozo alrededor del mundo. El ozono puede ser
empleado eficazmente para eliminar bacterias, neutralizar olores
y oxidar H2S en un precipitado filtrable.
Piscinas, spas y ecosistemas acuáticos. El ozono es
una tecnología eficaz para abordar las sustancias orgánicas,
controlar las algas y matar bacterias en aplicaciones acuáticas.
Las concentraciones de ozono tan bajas como 0.5 mg/L han
demostrado ser muy eficaces en matar los patógenos transmitidos
por el agua, tales como el Pseudomonas y la Legionella, en un
tiempo significativamente más corto que al utilizar cloro o bromo.
En las piscinas, el mayor beneficio del ozono es la reducción del
uso de cloro y, por supuesto, los subproductos de la cloración
asociados, tales como los trihalometanos y cloraminas.
Proceso avanzado de oxidación (AOP)
AOP aprovecha la potencia de los radicales hidroxilo y ha
madurado como tecnología al punto de llegar a ser adoptado de
manera generalizada. AOP permite que el especialista en agua
conocedor aborde los aminoácidos, compuestos aromáticos,
herbicidas, pesticidas, hidrocarburos, compuestos orgánicos
y compuestos orgánicos volátiles en las aguas residuales.
Correctamente ejecutado, AOP destruye eficazmente los
contaminantes desglosándolos en sus elementos constitutivos.
El ozono puede ser la columna vertebral sólida de una instalación
eficaz de AOP cuando se instala con radiadores UV y un
catalizador apropiado. AOP requiere un importante nivel de
conocimiento y comprensión de la química del agua; consulte
Tabla 1.
Dosis mínima
de ozono
por mg/L de
Contaminantecontaminante
Hierro (Fe)
0.43
Manganeso (Mn)
0.87
Sulfuro de hidrógeno (H2S) 3.00
Taninas1.6
Nitrito2.0
Fenol2.1
Carbón orgánico total (COT)
4.0
Demanda bioquímica de oxígeno (BOD)
2.0
Demanda química de oxígeno (COD)
2.0
Nitrito2.25
Las aplicaciones de desinfección requieren una dosis mínima de
ozono de 0.5mg/L además de cualquier otra demanda de ozono
establecida.
con su vendedor o consultor de la industria cuidadosamente para
asegurarse de implementar una solución viable. Soy un firme
creyente en el empleo de plantas piloto in situ para reunir datos
operativos suficientes antes de invertir en el gasto de capital de
un sistema operativo AOP.
son lo suficientemente altas como para evacuar inmediatamente
la zona y tener que ventilar el lugar adecuadamente antes de
regresar a trabajar. Piense en el ozono como un animal peligroso.
Cuando se maneja con cuidado y con respeto, usted estará a
salvo; si deja que salga de su jaula o si lo trata sin respeto y sin
la debida precaución, inevitablemente le hará daño.
Calculando la demanda mínima de ozono
La determinación de la demanda de ozono del agua requiere
un análisis preciso del agua y una comprensión de la cantidad
de ozono requerida para reaccionar con ciertos contaminantes.
Todos los expertos tienen sus opiniones; los datos a continuación
provienen de los criterios que utilizo para determinar las
dimensiones de un sistema. Consulte con su experto y decidan
qué es con lo que se sienten cómodos antes de proceder (ver
la Tabla 1).
Calculando la tasa mínima de producción del generador de
ozono: Gramos de ozono por hora = caudal de agua (litros/hora)
x demanda de ozono
1. Calcule el caudal a ser tratado en L/hora.
Convierta las unidades comunes de EEUU a unidades
métricas de la manera siguiente:
(gpm x 60) x 3.785
Por ejemplo: 10 gpm x 60 = 600 galones por hora
600 gph x 3.785 =2,271 litros por hora
2. Multiplique la demanda mínima de ozono por L/hr para
calcular la tasa mínima de producción en mg/hora.
3. Divida por 1,000 para determinar la cantidad mínima de
gramos por hora que el generador de ozono tiene que producir.
Los factores que complican el proceso, como los quelatos,
complejos orgánicos, eficiencia de transferencia e incluso las
fluctuaciones de temperatura del agua, interfieren con los cálculos
de demanda de ozono de los libros de texto, así que planee para
una capacidad de reserva adecuada de 20 a 30 por ciento más
allá de la capacidad de reserva mínima para permitir la flexibilidad
en el tratamiento. Es mucho mejor tener que disminuir su tasa de
producción de ozono que desear que tuviera más que trabajar.
No pase por alto los procedimientos de manejo
seguro
El ozono es un oxidante muy potente e inestable que
puede ser peligroso para los seres humanos y otros animales.
El ozono concentrado es penetrante como el cloro y esto no
es sorprendente; ambos actúan de forma similar contra los
organismos vivos. El ozono suspendido en el aire puede causar:
• Empeoramiento del asma
• Irritación de garganta y tos
• Dolor de pecho
• Falta de aliento
• Susceptibilidad a infecciones pulmonares
• Daño en los ojos y en las membranas mucosas
• Daño en la piel
• Disminuye la función pulmonar
Las directrices de la Administración de Seguridad Ocupacional
y Salud de EEUU para el O3 en el lugar de trabajo se basan en
promedios ponderados en el tiempo. Los niveles de ozono no
deben exceder 0.1 ppm para cada período de ocho horas por
día de exposición haciendo un trabajo ligero. Una buena regla
general es que si se puede oler el ozono, las concentraciones
Glosario
Alótropo Una forma estructural alternativa de un elemento
que puede exhibir propiedades dramáticamente diferentes
de las demás formas.
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Una prueba
de DBO es una forma de medir la cantidad de oxígeno que
está siendo consumido por los microbios en una muestra
de agua. Mientras más contaminantes hay en las aguas
residuales, más oxígeno será necesario para sostener la
vida. Números altos de DBO indican una alta concentración
de contaminantes en las aguas residuales que los microbios
han comido. El contenido de oxígeno se mide cuando la
prueba se inicia y de nuevo después de cinco días. La
diferencia en el contenido de oxígeno entre el primer día y el
último día se utiliza para calcular la DBO del agua.
Hertz (Hz) Hertz es una unidad de frecuencia de un ciclo
por segundo. Nombrado en honor a Heinrich Hertz, sustituye
el término anterior de ciclo por segundo (cps). El kilohertz,
abreviado kHz o KHz, es una unidad de corriente alterna
(CA) o frecuencia de la onda electromagnética igual a mil
hertz (1000 Hz).
Oxidación La pérdida de un electrón. Las sustancias que
pueden causar que otras cosas donen sus electrones se
conocen como oxidantes.
Trihalometanos (THM) Compuestos químicos en los
que tres de los cuatro átomos de hidrógeno del metano
(CH4) son reemplazados por átomos de halógeno. Los
THMs se forman como un subproducto cuando se usa cloro
para desinfectar el agua. Los THMs producidos han sido
asociados a través de estudios epidemiológicos con algunos
efectos adversos para la salud y muchos están considerados
como cancerígenos.
Sólidos suspendidos totales (SST) Una medida
de sólidos en suspensión en una muestra de agua. Una
cantidad medida del agua se hace pasar a través de un
disco de pesaje que capta partículas >1 micra. La cantidad
de partículas capturada en el disco se pesa después de
la deshidratación y después se extrapola para determinar
una indicación del total de sólidos suspendidos en el agua
muestreada.
Inyector Venturi El efecto Venturi (llamado así por el
físico italiano del siglo 18), tal como se aplica a la educción
de fluido, es un fenómeno por el cual la rápida reducción de
la presión del agua en una dirección permite la creación de
un vacío en otro. Este es el fenómeno por el cual la mayoría
de los suavizantes de agua modernos se extraen salmuera
del tanque de salmuera durante la regeneración.
Mejores prácticas
Al diseñar una instalación de ozono, siempre asegúrese de
hacer que la seguridad de los instaladores y usuarios sea su
meta. Los generadores de ozono deben mantenerse frescos, con
una temperatura ambiente inferior a 80°F (26°C). La humedad
también debe mantenerse muy por debajo del uno por ciento
para evitar la formación de ácido nítrico dentro de la(s) cámara(s)
de generación de ozono y la tubería de distribución. Después
de calcular la demanda de ozono para la aplicación, elija un
generador de ozono de calidad, de un proveedor de confianza.
Consulte con su proveedor si va a utilizar un suministro de oxígeno
líquido, concentrador de oxígeno o alimentación de aire ambiente.
Luego discuta la temperatura ambiente de funcionamiento y la
humedad relativa, y planee la refrigeración y deshumidificación
adecuadas, según sea necesario.
Seleccione un método para inyectar ozono en la corriente de
agua. Los inyectores Venturi son simples y relativamente baratos,
pero también hay ciertas aplicaciones en las que una bomba de
concentración de ozono (compresor) es apropiada. En algunos
casos, es posible que decida tratar el agua atmosféricamente en
un tanque de retención o estanque, usando un difusor de ozono.
El siguiente paso es calcular el volumen de retención requerido
para maximizar el tiempo de contacto. Esto es fácil: basta con
multiplicar el tiempo requerido por el caudal de operación. Si usted
está operando el sistema a 10 gpm y requiere seis minutos de
tiempo de contacto, tendrá un volumen total del tanque de mezcla/
retención de al menos 60 galones (227 litros).
Monitorear los residuos de ozono en el agua río abajo es
aconsejable al trabajar con niveles fluctuantes de contaminantes.
Al permitirlo el presupuesto, pueden instalarse monitores
automáticos de proceso con capacidades de registro de
datos, así como las salidas de voltaje analógico para señalar
otros componentes de control y automatización. Después del
dimensionamiento y la selección de los componentes del sistema,
las medidas de seguridad y vigilancia, hay que considerar
apropiadamente los procedimientos operativos, los requisitos
mínimos de mantenimiento y la capacitación de los operadores.
Cuando consulto con los distribuidores o usuarios finales sobre
los sistemas de ozono que no funcionan bien, el problema más
común que veo es la falta de mantenimiento y conservación. Los
sistemas de ozono, como todas las tecnologías de tratamiento
de agua, requieren un mantenimiento periódico, por lo que hay
que planear adecuadamente.
Cosas a recordar
• Seguridad primero
• Los generadores de ozono funcionan mejor con el
aire fresco y seco (< -60°F de punto de rocío, lo cual
corresponde a una humedad relativa de < 1%).
• Más concentración de oxígeno de alimentación = mayor
concentración de ozono de descarga.
• El ozono se disuelve mejor en agua fría.
• El ozono es eficaz durante más tiempo en el agua más fría.
• Una válvula de retención de alimentación de ozono es
buena, dos son mejores.
• El ozono destruye los sellos de hule y otros materiales
organoplásticos.
• El ozono tiene una presión de vapor baja.
• El ozono se aferra a superficies rugosas.
• El ozono reacciona de manera diferente a distintos niveles
de pH.
• Si bien los costos de ozono son mayores en un principio,
a menudo es más barato de mantener y operar que otros
oxidantes.
Conclusión
El ozono es una poderosa herramienta que puede ayudar
a producir una mejor agua para sus clientes. Sería sensato que
usted aprendiera más acerca de esta herramienta útil mediante la
lectura de revistas especializadas como ésta, tomando clases de
los distintos fabricantes y redes de distribuidores y, por supuesto,
utilizando el Programa de Educación Modular de WQA (MEP).
Acerca del autor
El Sr. Greg Reyneke, Director Administrativo
para Red Fox Advisors, tiene dos décadas
de experiencia en la gestión y el crecimiento
de concesionarios de tratamiento de agua.
Su experiencia abarca toda la gama de
aplicaciones residenciales, comerciales e
industriales, incluyendo el tratamiento de aguas
residuales. Además, el Sr. Reyneke también
ofrece servicios de consultoría sobre los métodos de conservación
y reutilización del agua, incluyendo el aprovechamiento del agua
de lluvia, ecosistemas acuáticos, reutilización de aguas grises
y diseño eficiente en el uso de agua. Además es miembro del
Comité de Revisión Técnica de la revista WC&P. Usted puede
seguirlo en su blog en www.gregknowswater.com