Monitorización 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 desinfección (DBP). Los trihalometanos (THM) son subproductos de la desinfección que se forman cuando se usa 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 el componente principal.

Muchos trihalometanos se consideran peligrosos para la salud y se sospecha que son cancerígenos. La Directiva de agua potable de la Comunidad Europea establece que el agua utilizada para el consumo humano no debe exceder los 100 µg / l de THM totales y las regulaciones de los Estados Unidos 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: históricamente se ha utilizado durante más de 100 años. Es fácil de producir, almacenar y el agua desinfectada se deja con 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 la infección por enfermedades bacterianas, virales y parasitarias. La principal desventaja de la desinfección con cloro es el potencial de formación de THM . Otros métodos de desinfección como el ozono o los rayos UV no presentan este problema pero, sin embargo, son mucho más costosos de implementar y ejecutar, por lo que se usan con menos frecuencia en operaciones más grandes.

THM en el agua: la imagen completa

Los THM se generan durante la desinfección del agua, mediante la reacción del cloro (o dióxido de cloro / hipoclorito) con la materia orgánica natural (NOM) 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.

Los "precursores de THM" son materia orgánica disuelta, presente de forma natural en el agua, que comprende una mezcla heterogénea 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 es complicado en términos de predecir los THM por factores adicionales como:

  1. Las características químicas distintivas asociadas con 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 abundancia de especies bromadas.
  2. Dependencias estacionales conectadas a los ciclos de vida de la flora.
  3. 3. Dependencia del tiempo de residencia.
    Por ejemplo, durante la "primera lluvia", una gran cantidad de materia orgánica que se acumula en el suelo se vierte al río. Esto conduce a niveles más altos de THM. Además, cuanto más tiempo tiene el cloro para interactuar con los orgánicos, lo que resulta en 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 llevaron a cabo por primera vez en los 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 subproductos de la desinfección, principalmente THM , con efectos en la salud como el cáncer de vejiga y ciertos defectos de nacimiento en los recién nacidos de madres expuestas.

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

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), los riesgos potenciales que presentan los THM se ven superados en gran medida por los peligros de no clorar los suministros de agua. El riesgo que plantean los THM se considera a largo plazo , ya que requeriría el consumo de agua durante toda la vida, como es el caso de la mayoría de los productos cancerígenos, para generar 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 en un período mínimo de 70 años. En el caso de la Unión Europea, el riesgo se considera 10-6 .

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

Ruta de exposición a THM

Los THM se pueden incorporar al cuerpo humano a través de varias vías: ingestión de agua del grifo, inhalación de THM evaporados y absorción dérmica . Muchas actividades diarias como el consumo de agua, bañarse o ducharse y nadar en la piscina también pueden contribuir a la exposición total al THM.

Regulaciones y límites vigentes

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 genera ningún riesgo significativo para la salud a través del consumo de por vida. Estos son:

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

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

THM: estado actual de la tecnología de monitorización

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

Muchas otras plantas de tratamiento de agua se basan en un análisis de laboratorio semestral o mensual de los niveles de THM. Suele consistir en muestrear el agua, transportarla a un laboratorio y analizarla mediante técnicas de cromatografía de gases / espectroscopia de masas (GCMS). El tiempo transcurrido para este enfoque puede ser de hasta dos semanas .

Cuando los niveles de THM son consistentemente e históricamente bajos (es decir, < 10 ppb de THM totales), generalmente se piensa que este enfoque es suficiente para cumplir con las regulaciones actuales. Dicho esto, este enfoque significa que los operadores se basan en una muestra muy limitada para determinar los niveles generales. No es probable que una muestra puntual cada mes o seis meses sea representativa.

Por último, hay plantas / regiones donde, debido a las características de la fuente de agua, los THM son un problema importante y deben ser monitoreados de cerca. En estas aplicaciones, es muy importante lograr un equilibrio entre la precisión del sistema, el costo de compra, los costos de funcionamiento y la facilidad de operación. Por lo general, esto sucede cuando los THM totales están en promedio alrededor de 30 ppb: siempre existe el riesgo de que los TMH excedan el límite de 80 a 100 ppb y es de interés para la WTP 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, aunque 100 ppb está en el límite de aceptabilidad hoy (2019), en muchas partes del mundo (al menos desde un punto de vista regulatorio), Es muy probable que este no sea el caso dentro de unos años, cuando los legisladores y los consumidores esperarán estándares mucho más altos de calidad del agua.

Hay varias tecnologías diferentes 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:

  • Operación
  • Coste de propiedad
  • Facilidad de uso
  • Precisión y confiabilidad de la medición
  • Tiempo de medición
  • Ecc.

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Purga/Trampa con técnica colorimétrica

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 en 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 funcionamiento del sistema es muy caro (decenas de miles de dólares por año para los reactivos) y, por lo general, no es factible realizar una medición cada hora. El método también significa que el instrumento tiene una complejidad inherente y muchos componentes diferentes, lo que puede provocar reparaciones costosas y problemas continuos .

Purga/Trampa - Cromatografía de gases - Detector de ondas acústicas de superficie

Se trata de un instrumento de laboratorio que se ha adaptado para su aplicación in situ.

El analizador es un sistema integrado de purga y trampa conectado a una columna de cromatógrafo de gases compacta y un detector de ondas acústicas de superficie (SAW). El sistema requiere gas helio, una calibración manual externa y debe ser operado por técnicos capacitados .

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

Permeación de membranas - Cromatografía de gases - Detector de captura de electrones

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

En este tipo de sistema, 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 GC. Finalmente, los Trihalometanos son detectados por un detector de Captura de Electrones. El uso de un cromatógrafo de gases para el monitoreo en línea genera problemas de estabilidad como 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. El ensuciamiento es un problema que puede surgir en este tipo de sistemas. El uso del elemento radiactivo Ni63 en el detector no es deseable y tal sistema requeriría un gas portador y sería bastante caro . .

Detector de fluorescencia con permeación de membranas 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 muchos 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 el ensuciamiento 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 fotoionización)

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 trabajar, se necesita una fuente de aire comprimido, sin mencionar a un técnico experto en sistemas.

Nariz electrónica

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

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 reactivos. La presentación de la muestra también es simple y reduce la posibilidad de ensuciamiento.

Al tratarse de una técnica sin contacto, la limpieza de sensores no es necesaria.

Principio de funcionamiento

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

La ley de Henry dicta que el flujo continuo de 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 muestra como se muestra en la Figura 2. Los componentes volátiles en el agua pasarán al espacio de cabeza sobre el agua hasta que se alcance un equilibrio.

A continuación, se pasa una muestra de los gases del espacio de cabeza a través de sensores en el cabezal del sensor del analizador de THM MS2000, que responden a los THM en el espacio de cabeza. Esta respuesta es luego 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 control de los THM en el agua potable se está volviendo más importante a nivel mundial a medida que aumentan los estándares del agua potable. El monitoreo de THM no puede dejarse como una "tarea" regulatoria y es vital para mantener la confianza del público en las empresas de suministro de agua.

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

La tecnología de nariz electrónica se ha establecido como un método rentable para monitorear THM cuando se compara con técnicas alternativas y está ganando una aceptación cada vez mayor en el mercado.

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