Monitoreo de THM en Agua Potable

THM: Una introducción

El conjunto de compuestos que se forman en un proceso de desinfección del agua se denominan colectivamente subproductos de la desinfección (DBP). Los trihalometanos (THM) son subproductos de la desinfección que se forman cuando se utiliza cloro (o un producto a base de cloro) como desinfectante. Los THM que se encuentran comúnmente en el agua para consumo humano son: cloroformo, bromodiclorometano (BDCM), dibromoclorometano (DBCM) y bromoformo, siendo el cloroformo normalmente el componente principal.

Muchos trihalometanos se consideran peligrosos para la salud y se sospecha que son carcinógenos. La Directiva de Agua Potable de la Comunidad Europea establece que el agua utilizada para consumo humano no debe superar los 100 µg/l de THM totales y las regulaciones de EE. UU. establecen un nivel máximo de 80 µg/l de THM totales.

Cloro y THM

El cloro es uno de los desinfectantes más utilizados en el mundo y, históricamente, se ha utilizado durante más de 100 años. Es fácil de producir, almacenar y el agua desinfectada conserva un nivel de cloro que la mantiene desinfectada dentro de la red de distribución hasta que llega al grifo.

Uno de los principales beneficios de la cloración del agua es la drástica reducción de infecciones por enfermedades bacterianas, víricas y parasitarias. La principal desventaja de la desinfección con cloro es la posible formación de THM. Otros métodos de desinfección como el ozono o los rayos UV no presentan este problema, pero son mucho más costosos de implementar y operar, por lo que se utilizan con menos frecuencia en operaciones de mayor escala.

THM en el agua: el panorama completo

Los THM se generan durante la desinfección del agua, mediante la reacción del cloro (o dióxido de cloro/hipoclorito) con la materia orgánica natural (MON) presente en el agua, como el ácido húmico y el ácido fúlvico. La concentración de THM en el agua dependerá de: la cantidad de cloro presente, el tiempo de contacto del cloro con la materia orgánica, la cantidad de materia orgánica, la concentración de bromuros en el agua, el pH y la temperatura.

“Precursores de THM” son materia orgánica disuelta, presente de forma natural en el agua, que comprende una mezcla heterogénea procedente de la descomposición de materiales orgánicos (plantas, bacterias, etc.). Generalmente se ha encontrado que los precursores de THM son aquellas sustancias que contienen estructuras aromáticas, pero el panorama se complica a la hora de predecir los THM debido a factores adicionales como:

  1. Las características químicas distintivas asociadas a los orígenes
    El cloroformo es el THM más abundante y suele ser el principal subproducto de la desinfección que se encuentra en el agua clorada. Esto se debe principalmente al hecho de que la mayoría de las fuentes de agua no contienen una abundancia de especies bromadas.
  2. Dependencias estacionales relacionadas con los ciclos de vida de la flora
  3. Dependencia del tiempo de residencia.
    Por ejemplo, durante la "primera lluvia", una gran cantidad de materia orgánica acumulada en el suelo es arrastrada hacia el río. Esto conduce a niveles más altos de THM. Además, cuanto más tiempo tiene el cloro para interactuar con la materia orgánica, esto da lugar a patrones de demanda que influyen en los niveles de THM.
  4. Procesos hidrológicos y biogeoquímicos

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Estudios sobre THM y riesgos para la salud pública

Los estudios sobre la formación de trihalometanos como consecuencia de la adición de cloro al agua se realizaron por primera vez en Estados Unidos en la década de 1970. Para ello se utilizaron procedimientos basados en cromatografía de gases y espectrometría de masas. Los estudios epidemiológicos asocian la exposición a los subproductos de la desinfección, principalmente THM, con efectos en la salud como el cáncer de vejiga y ciertos defectos congénitos en recién nacidos de madres expuestas.

Los estudios sobre el cáncer de vejiga encontraron un mayor riesgo con exposiciones prolongadas a THM (más de 30 años). La EPA de EE. UU. clasifica el cloroformo y el bromoformo como probables carcinógenos y el dibromoclorometano como un posible carcinógeno para los seres humanos en determinadas condiciones de exposición. Esto significa que, aunque hay indicios de carcinogenicidad en animales de experimentación, la evidencia es limitada en humanos.

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), los riesgos potenciales que plantean los THM son ampliamente superados por los peligros de no clorar los suministros de agua. El riesgo que plantean los THM se considera a largo plazo, ya que se necesitaría el consumo de agua durante toda la vida, como es el caso de la mayoría de los productos carcinógenos, para crear problemas. Según la OMS, la exposición a estas sustancias supone un riesgo de cáncer de 10-5, es decir, un caso de cáncer por cada 100.000 personas que consumen agua durante un período mínimo de 70 años. En el caso de la Unión Europea, el riesgo se considera de 10-6.

Como alternativa, algunos países desarrollados están utilizando clorito de sodio como sustituto del hipoclorito de sodio, evitando así la producción de THM en la depuración del agua.

Vías de exposición a los THM

Los THM pueden incorporarse al cuerpo humano a través de varias vías: ingestión de agua del grifo, inhalación de THM evaporados y absorción dérmica. Muchas actividades cotidianas como el consumo de agua, el baño o la ducha y la natación en la piscina también pueden contribuir a la exposición total a THM.

Regulaciones y límites actuales

La OMS proporciona valores guía recomendados para las concentraciones máximas individuales de cada uno de los THM en el agua para consumo humano. Los valores guía representan la concentración límite de un compuesto que no supone ningún riesgo significativo para la salud a lo largo de toda la vida. Estos son:

  • Cloroformo: 300 μg/l
  • Bromodiclorometano (BDCM): 60 μg/l
  • Dibromoclorometano (DBCM): 100 μg/l
  • Bromoformo: 100 μg/l

Según la OMS, el cálculo de la toxicidad combinada de todos los THM se puede lograr mediante la siguiente ecuación:

Los diferentes tipos de THM

THM: Estado actual de la tecnología de monitoreo

El nivel de conciencia sobre el control y la tecnología de monitoreo de THM en el agua potable varía significativamente en todo el mundo, a pesar del fortalecimiento de las regulaciones a nivel global. En algunos lugares, los THM no se consideran un problema importante (o incluso conocido).

Muchas otras plantas de tratamiento de agua dependen de un análisis de laboratorio semestral o mensual de los niveles de THM. Esto suele consistir en tomar muestras de agua, transportarlas a un laboratorio y analizarlas mediante técnicas de Cromatografía de Gases / Espectrometría de Masas (GCMS). El tiempo transcurrido para este enfoque puede ser de hasta dos semanas.

Cuando los niveles de THM son consistentemente bajos (es decir, < 10 ppb de THM totales) este enfoque se considera generalmente suficiente para cumplir con las regulaciones actuales. Dicho esto, este enfoque significa que los operadores dependen de una muestra muy limitada para determinar los niveles generales. Es poco probable que una muestra puntual cada mes o cada seis meses sea representativa.

Finalmente, hay plantas/regiones donde, debido a las características del agua de origen, los THM son un problema significativo y necesitan ser monitoreados de cerca. En estas aplicaciones es muy importante encontrar un equilibrio entre la precisión del sistema, el costo de compra, los costos operativos y la facilidad de uso. Esto suele ocurrir cuando los THM totales tienen un promedio de alrededor de 30 ppb: siempre existe el riesgo de que los THM superen el límite de 80 - 100 ppb y es interés de la ETAP mantener los niveles lo más bajos posible.

Siguiendo las tendencias internacionales, es probable que la regulación de las concentraciones de THM se vuelva más estricta en el futuro, por lo que si bien 100 ppb está en el límite de aceptabilidad hoy en día (2023), en muchas partes del mundo (al menos desde el punto de vista regulatorio), es muy probable que este no sea el caso en unos pocos años, cuando los legisladores y los consumidores esperen estándares de calidad del agua mucho más altos.

Hay una serie de tecnologías disponibles en el mercado para el análisis de THM. Cada sistema tiene fortalezas y debilidades, y se debe prestar especial atención a los siguientes criterios antes de comprar un instrumento:

  • Funcionamiento
  • Costo de propiedad
  • Facilidad de uso
  • Precisión y fiabilidad de la medición
  • Tiempo de medición

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Técnica de Purga y Trampa con Colorimetría

Este es un sistema en línea que puede dar una lectura cada 4 horas o más.

En este método, el instrumento extrae los THM de la muestra de agua mediante P/T sobre un material adsorbente y los THM concentrados se desorben posteriormente en una mezcla de reactivos patentada que genera un producto coloreado.

Debido al costo de los reactivos, el sistema es muy caro de operar (decenas de miles de dólares al año solo en reactivos) y normalmente no es viable tener una medición cada hora.
El método también implica que el instrumento tiene una complejidad inherente y muchos componentes diferentes, lo que puede dar lugar a reparaciones costosas y problemas continuos.

Purga/Trampa – Cromatografía de Gases – Detector de Onda Acústica Superficial

Este es un instrumento de laboratorio que ha sido adaptado para su aplicación in situ.

El analizador es un sistema integrado de purga y trampa conectado a una columna de cromatografía de gases compacta y un detector de onda acústica superficial (SAW). El sistema requiere gas Helio, una calibración manual externa y necesita ser operado por técnicos cualificados.

Además, debido a la naturaleza de la tecnología, es imposible utilizarlo como un sistema en línea: el operador tendrá que ir al sitio, tomar una muestra, esperar 30 minutos y obtener el resultado.

Permeación de Membrana – Cromatografía de Gases – Detector de Captura de Electrones

Este es un método experimental, aún no ampliamente aceptado en la industria.

En este tipo de sistemas, los THM se extraen de una muestra de agua en un gas portador. Esto se logra forzando el agua a través de una membrana permeable, luego adsorbiendo los THM en una trampa, seguido de separaciones en una columna de GC. Finalmente, los trihalometanos se detectan mediante un detector de captura de electrones. El uso de un cromatógrafo de gases para el monitoreo en línea genera problemas de estabilidad en los tiempos de retención, calibración y validación del sistema.

La extracción a través de una membrana semipermeable tiene un gran impacto en la matriz de la muestra, incluida la fuerza iónica, el pH y la temperatura. La incrustación es un problema que podría surgir en este tipo de sistemas. El uso del elemento radiactivo 63Ni en el detector no es deseable y dicho sistema requeriría un gas portador y sería bastante costoso.

Detector de Fluorescencia con Permeación de Membrana y Reacción Química:

Este es un método experimental, no ampliamente aceptado en la industria.

En este método, los trihalometanos pasan del agua a la mezcla de reacción química a través de una membrana semipermeable en un flujo continuo de reactivos, seguido de la medición de la fluorescencia generada por la reacción de los THM con nicotinamida alcalina. Este método requiere una gran cantidad de reactivos. La extracción a través de una membrana semipermeable tiene un gran impacto en la matriz de la muestra, incluida la fuerza iónica, el pH y la temperatura. También la incrustación es un problema que podría surgir en este tipo de sistemas.

Cromatógrafo de gases de proceso (GC) con TID (Detector de Ionización Térmica) y PID (Detector de Ionización por Fotoemisión)

Este sistema es un cromatógrafo de gases de proceso tradicional con tecnología TID y PID. Esta tecnología es bastante precisa y permite la especiación. Dada la complejidad del instrumento, exige un alto costo de compra y una recalibración frecuente (una vez al mes). Además, para funcionar, se necesita una fuente de aire comprimido, sin mencionar un técnico de sistemas cualificado.

Nariz Electrónica

La tecnología de nariz electrónica utiliza el muestreo de gases del espacio de cabeza en un tanque de muestreo y el paso de estos gases sobre sensores sensibles para medir el nivel de THM. Un ejemplo es el MS2000 de Multisensor Systems.

La ventaja de la tecnología de nariz electrónica es que se presta a la operación en línea, es robusta en una variedad de entornos y no utiliza ningún reactivo. La presentación de la muestra también es simple, lo que reduce la posibilidad de incrustación y, al ser una técnica sin contacto, no es necesario limpiar los sensores.

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento de los analizadores de THM MS2000 es la medición de gases del espacio de cabeza de un tanque de muestreo que contiene el agua a medir.

La Ley de Henry establece que la concentración de gases en el espacio de cabeza es proporcional a la concentración del analito en el agua.

La calibración del instrumento se realiza presentando una concentración conocida a los sensores y generando coeficientes de calibración a partir de las respuestas obtenidas.

El MS2000 funciona haciendo pasar un flujo continuo de agua a través del tanque de muestreo como se muestra en la Figura 2. Los componentes volátiles del agua pasarán al espacio de cabeza sobre el agua hasta que se alcance el equilibrio.

A continuación, una muestra de los gases del espacio de cabeza pasa a través de los sensores en el cabezal del sensor del analizador de THM MS2000, que responden a los THM en el espacio de cabeza. Esta respuesta es analizada por el instrumento y se genera un valor de concentración basado en la relación entre la concentración presente en el espacio de cabeza y la del agua.

Conclusión

El monitoreo de THM en el agua potable es cada vez más importante a nivel mundial a medida que aumentan los estándares de calidad del agua. El monitoreo de THM no puede dejarse como una "obligación" regulatoria y es vital para mantener la confianza del público en las empresas de suministro de agua.

Hay muchas consideraciones al decidir la técnica de análisis de THM a utilizar. Existen diferentes enfoques con resultados diferentes en términos de precio, costos operativos, rendimiento y fiabilidad.

La tecnología de nariz electrónica se ha consolidado como un método rentable de monitoreo de THM en comparación con técnicas alternativas y está ganando una creciente aceptación en el mercado.

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