El tratamiento del agua es una piedra angular de la salud pública, asegurando que el agua que fluye de nuestros grifos esté libre de patógenos y de seguro para el consumo.El paso de desinfección, a menudo utilizando cloro, cloramina o ozono, es crítico para inactivar microorganismos dañinos. Sin embargo, este proceso esencial tiene un efecto secundario complejo: la formación de subproductos de desinfección (DBP)

¿Qué son los subproductos de la desinfección?

Los subproductos de la disinfección son un grupo diverso de compuestos químicos formados durante la reacción entre los desinfectantes (como cloro, cloromina, dióxido de cloro o ozono) y los materiales precursores en el agua.Los DBP más comúnmente regulados son trihalometanos (THMs) y ácidos haloácticos (HAAs).

La formación de los DBP no se limita a la cloración. La cloración puede producir N-nitrosodimetilina (NDMA), un potente carcinógeno. La ozonación puede formar bromato cuando el bromuro está presente, y el dióxido de cloro puede producir cloro y cloro. Cada desinfectante crea un perfil DBP único, influenciado por los parámetros de calidad del agua y la composición de materia orgánica.

Implicaciones de salud de los DBP

Los estudios epidemiológicos han vinculado la exposición a largo plazo a los DBP, en particular los THM y los HAA, con un mayor riesgo de cáncer de vejiga, cáncer colorrectal y resultados adversos de nacimiento como el bajo peso de nacimiento y las anomalías congénitas.

El papel de los contaminantes orgánicos en la formación de DBP

Los contaminantes orgánicos sirven como precursores primarios para la formación de DBP. La mayoría de la materia orgánica en aguas de origen es la materia orgánica natural (NOM), una mezcla compleja de compuestos orgánicos originados por la desintegración de residuos vegetales y animales, actividad microbiana y lixiviación del suelo. La NOM comprende sustancias humidas (ácidos fulvicos), carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos de baja actividad orgánica.

Cuando el cloro se añade al agua, reacciona fácilmente con las polillas ricas en electrones en la NOM, como los anillos aromáticos activados presentes en ácidos humicos. Esta reacción implica sustitución (incorporación cloro en la molécula orgánica) y reacciones de pulverización, que producen especies halógenas de bajo peso molecular como THMs y HAAs. La concentración y naturaleza de los precursores orgánicos influyen directamente en el rendimiento

Tipos de Precursores Orgánicos

  • Ácidos humicos: Las fracciones de alto peso molecular, hidrofóbica de la NOM que son particularmente reactivas con cloro y producen cantidades altas de THMs y HAAs.
  • Ácidos Fulvicos: El peso inferior-molecular pero todavía altamente reactiva; contribuir a la formación de DBP, aunque a menudo con proporciones ligeramente diferentes que los ácidos húmicos.
  • Productos microbianos (SMPs): Liberados por bacterias y algas; contienen nitrógeno y pueden ser precursores para los DBP nitrosaminas nitrógenos.
  • ]Eficacia de la materia orgánica (EfOM):] Procediendo de las descargas de aguas residuales; incluye productos farmacéuticos, productos de cuidado personal y otros compuestos antropógenos que pueden reaccionar con desinfectantes para formar DBPs únicos.
  • Contaminantes orgánicos antropógenos: Los pesticidas, productos químicos industriales y solventes que pueden actuar como precursores de la DBP, especialmente cuando están presentes en aguas de origen afectadas por la agricultura o la industria.

Factores que afectan la formación de DBP de contaminantes orgánicos

La extensión y la especulación de la formación de DBP se rigen por múltiples factores interrelacionados. Entendiendo estos parámetros permite a las empresas de agua optimizar el tratamiento y minimizar los riesgos de salud.

Tipo y concentración de materia orgánica

Las concentraciones más altas de precursores orgánicos generalmente conducen a una mayor formación de DBP. El carácter orgánico específico -medido como carbono orgánico disuelto (DOC) o absorción ultravioleta a 254 nm (UV254)- es un predictor clave. El agua con una absorción ultravioleta alta específica (SUVA) indica una alta proporción de NOM aromática, hidrofóbica, que es altamente reactiva con cloro.

pH y temperatura

El pH influye significativamente en las vías de formación de DBP. En el pH superior (ambos 8), el cloro es más frecuente como iones hipocloritos (OCl -), que es menos reactiva que el ácido hipocloroso (HOCl) en el pH inferior. Sin embargo, la formación de THM se ve favorecida en el pH más alto porque la reacción de la fuente de alta frecuencia de la temperatura se produce más rápidamente.

Tipo y Dosis desinfectante

El cloro es el desinfectante más común, pero también es el más prolífico en la producción de DBP regulados. La cloramina (monocloramina) produce niveles más bajos de THM y HAAs pero puede formar DBPs nitrógenos como NDMA. Ozone, mientras que eficaz para la inactivación microbiana y el control de sabores, puede producir formas de cloro residuales (sindro)

Condiciones del sistema de distribución y tiempo de contacto

Los tiempos de contacto más largos entre los precursores desinfectantes y orgánicos aumentan la formación de DBP. En el sistema de distribución, el desinfectante residual sigue reaccionando con la materia orgánica en los biopelículas de agua a granel y tubo, lo que hace que las concentraciones de DBP aumenten a medida que el agua viaja desde la planta de tratamiento al grifo.

Presencia de iones inorgánicos

Los iones de bromo y ioduro son precursores inorgánicos críticos. Cuando están presentes en el agua de origen, compiten con la materia orgánica para la reacción con cloro, formando DBPs brominados y yodinados. DBPs (por ejemplo, bromoform, bromodiclorometano) son generalmente más tóxicos que sus análogos clorados.

Implicaciones para el tratamiento del agua

El control efectivo de la formación de DBP requiere una estrategia integrada que se ocupe de la eliminación de precursores, la optimización desinfectante y la gestión del sistema de distribución. Las plantas de tratamiento de agua pueden reducir significativamente el riesgo de DBP mediante la aplicación de los siguientes enfoques.

Coagulación y Sedimentación mejoradas

La coagulación mejorada implica ajustar la dosis de coagulante y el pH para maximizar la eliminación de la NOM antes de la desinfección. Al apuntar a la fracción orgánica hidrofóbica de alto peso molecular, este proceso puede reducir el DOC en un 40-70%, reduciendo así la piscina precursora disponible para la formación de DBP.

Filtración de carbono activado granular (GAC)

La adsorción de GAC es altamente eficaz para eliminar precursores orgánicos, especialmente la NOM hidrofóbica y muchos compuestos antropógenos. El GAC puede ser utilizado como paso postfiltración o como reemplazo de medios en filtros convencionales. La capacidad adsorptiva finalmente se agota, requiriendo regeneración periódica o reemplazo. Para el control continuo de DBP, muchas plantas utilizan GAC después de la coagulación y sedimentación para alcanzar niveles bajos de DOC, a menudo dramáticamente inferiores 2 mg.

Desinfectantes alternativos y desinfección secuencial

Esta estrategia de seguridad multiclorobina puede ser eficaz para reducir las concentraciones de THM y HAA, aunque puede producir NDMA y otros DBP nitrógenos. Algunas utilidades adoptan un enfoque secuencial: el uso del ozono como desinfectante primario (que descompone la NOM en compuestos más biodegradables), seguido de la filtración biológica para eliminar esos compuestos, y luego una excelente regulación de cloromina residual.

Procesos de oxidación avanzados (AOPs)

Los AOPs combinan oxidantes (ozone, peróxido de hidrógeno, luz UV) para generar radicales hidroxilos que no degradan los compuestos orgánicos degradados selectivamente. Estos procesos pueden mineralizar compuestos precursores orgánicos, incluyendo NOM refractario y micropollutantes. Sin embargo, los AOPs son intensivos en energía y pueden producir subproductos no deseados si no se controlan.

Filtración de membrana (Nanofiltración y Osmosis Inversa)

Las tecnologías de membrana con tamaños de poro ajustados pueden rechazar físicamente una gran fracción de materia orgánica. La nanofiltración (NF) puede eliminar hasta el 90% de TOC, mientras que la osmosis inversa (RO) logra un rechazo aún mayor. Estos sistemas son costosos pero se están volviendo más comunes para tratar aguas de fuentes desafiantes, especialmente los afectados por aguas residuales o escorrentía agrícola.

Paisaje y monitoreo regulatorios

Las normas de salud en todo el mundo siguen evolucionando como nuevos tipos de DBP y se acumulan pruebas de salud. En los Estados Unidos, la Regla de los productos de desinfectantes y de desinfección de la etapa 2 D/DBPR establece niveles máximos de contaminantes (MCL) para los TTHMs a 80 μg/L y HAA5 a 60 μg/L.

La presión reguladora también impulsa la inclusión de DBP emergentes como NDMA, que tiene un proyecto de nivel de asesoramiento en salud de 0.0001 μg/L de la EPA debido a su carcinogenicidad extrema. Muchos estados de los EE.UU. ahora requieren monitoreo para NDMA y otras nitrosaminas en sistemas de agua usando cloramina o que tienen influencia en el agua residual.

Future Research Directions

La investigación en curso se centra en varios frentes:

  • Identificar los DBP desconocidos formados por nuevos desinfectantes y químicos precursores, incluidos los de sustancias per- y polifluoroalquiles (PFAS).
  • Elaborar modelos predictivos que incorporen datos de calidad del agua en tiempo real para anticipar la formación de DBP y permitir ajustes proactivos de tratamiento.
  • :: La adopción de tecnologías de eliminación de precursores que sean eficaces en función de los costos para los sistemas pequeños y medianos.
  • Comprender la toxicidad sinérgica de las mezclas de DBP para informar mejor los límites reglamentarios.
  • Explorando el papel del microbioma en los sistemas de distribución para modificar las concentraciones de DBP y crear nuevos subproductos.

Conclusión

Los contaminantes orgánicos en el agua fuente son los principales factores que impulsan la formación de subproductos nocivos de desinfección durante el tratamiento del agua. De las sustancias humicas en los ríos prístinos a los compuestos antropogénicos en cuencas hidrográficas muy afectadas, la diversidad y la reactividad de la materia orgánica dictan la cantidad y el tipo de DBP que aparecen en nuestro agua de grifo.

Para más lectura, la página de la Etapa 2 D/DBPR de la CEPA proporciona detalles regulatorios. Las Directrices de la OMS para la calidad del agua potable ofrecen recomendaciones integrales basadas en la salud. La información de desinfección del agua de la CDC es también una perspectiva de salud útil.