El tratamiento del agua -o la purificación y saneamiento del agua- varía en cuanto a la fuente y las clases de agua. Las aguas municipales, por ejemplo, consisten en agua superficial y aguas subterráneas, y su tratamiento debe distinguirse del agua industrial. Los abastecimientos de agua municipales son tratados por servicios de agua públicos o privados para hacer el agua potable (segura para beber) y palatable (estéticamente agradable) y para asegurar un suministro adecuado de agua para satisfacer las necesidades de la comunidad a un costo razonable. Excepto en casos muy raros, toda la oferta se trata a la calidad del agua potable por tres razones: generalmente no es factible suministrar agua de más de una calidad; Es difícil controlar el acceso del público al agua no tratada a la calidad del agua potable; Y puede ser necesaria una cantidad sustancial de tratamiento incluso si el agua no está destinada al consumo humano.
El agua cruda (no tratada) se retira de un suministro de agua superficial (como un lago o arroyo) o de un acuífero subterráneo (por medio de pozos). El agua fluye o es bombeada a una instalación central de tratamiento. Los grandes municipios pueden utilizar más de una fuente y pueden tener más de una instalación de tratamiento. El agua tratada es entonces bombeada bajo presión a un sistema de distribución, que típicamente consiste en una red de tuberías interconectadas con instalaciones de almacenamiento a nivel del suelo o elevadas (depósitos). A medida que se retira de la fuente, el agua superficial generalmente se tamiza a través de barras de acero, típicamente de aproximadamente 1 pulgada (2,54 cm) de espesor y de aproximadamente 2 pulgadas (5,08 cm) entre sí, para evitar que objetos grandes como troncos o peces entren en la instalación de tratamiento . A veces se utilizan pantallas más finas para eliminar las hojas. Si el agua es muy turbia (turbia o turbia), puede ser pretratada en una gran cuenca conocida como cuenca de pre-sedimentación para dar tiempo a que la arena y las partículas de limo más grandes se asenten.
Todas las aguas superficiales tienen potencial para transportar microorganismos patógenos (que causan enfermedades) y deben ser desinfectadas antes del consumo humano. Dado que la suficiencia de la desinfección no se puede asegurar en presencia de turbidez, primero es necesario eliminar los sólidos suspendidos haciendo que el agua esté turbida. Esto se logra mediante una secuencia de procesos de tratamiento que típicamente incluye coagulación, floculación, sedimentación y filtración. La coagulación se realiza añadiendo coagulantes químicos, usualmente sales de aluminio o de hierro, para neutralizar la carga negativa sobre las superficies de las partículas (sólidos en suspensión) presentes en el agua, eliminando así las fuerzas repulsivas entre las partículas y permitiéndolas agregarse. Los coagulantes se suelen dispersar en el agua mezclándolos rápidamente.
Pueden añadirse otros productos químicos al mismo tiempo, incluido el carbón activado en polvo (para absorber sustancias químicas causantes de olores y olores o para eliminar productos químicos sintéticos); Oxidantes químicos tales como cloro, ozono, dióxido de cloro o permanganato de potasio (para iniciar la desinfección, para oxidar los contaminantes orgánicos, para controlar el sabor y el olor, o para oxidar los contaminantes inorgánicos tales como hierro, manganeso y sulfuro); Y ácido o base (para controlar el pH). Las partículas coaguladas se agregan en grandes partículas de «floc» de sedimentación rápida por floculación, logrando agitando suavemente el agua usando paletas, turbinas o impulsores. Este proceso tarda generalmente 20 a 30 minutos. El agua floculada entonces se introduce suavemente en una cuenca de sedimentación, donde las partículas de floc se dan aproximadamente dos a cuatro horas para asentarse. Después de la sedimentación, el agua se filtra, más comúnmente a través de 24-30 pulgadas (61-76 cm) de arena o antracita que tiene un diámetro efectivo de aproximadamente 0,02 pulgadas (0,5 mm).
Cuando el agua cruda es baja en turbidez, el agua coagulada o floculada puede ser llevada directamente a los filtros, evitando la sedimentación; Esta práctica se denomina filtración directa. Una vez que el agua ha sido filtrada, se puede desinfectar satisfactoriamente. La desinfección es la eliminación de microorganismos patógenos del agua. No hace que el agua esté completamente estéril, pero lo hace seguro para beber desde el punto de vista microbiano. La mayoría de las plantas de tratamiento de agua en los Estados Unidos dependen principalmente del cloro para la desinfección. Algunas utilidades usan ozono, dióxido de cloro, cloraminas (formadas a partir de cloro y amoníaco), o una combinación de productos químicos añadidos en diferentes puntos durante el tratamiento. Existen importantes ventajas y desventajas asociadas con cada uno de estos productos químicos, y la elección óptima para un agua particular requiere un estudio cuidadoso y asesoramiento de expertos.
Los desinfectantes químicos reaccionan no sólo con los microorganismos, sino también con la materia orgánica presente naturalmente en el agua, produciendo cantidades traza de contaminantes colectivamente denominados subproductos de desinfección (DBP). Las DBP más conocidas son los trihalometanos. Aunque no se sabe que las DBP son tóxicas en las concentraciones encontradas en el agua potable, se sabe que algunas son tóxicas a concentraciones mucho más altas. Por lo tanto, la prudencia exige que se hagan esfuerzos razonables para minimizar su presencia en el agua potable.
La estrategia más eficaz para minimizar la formación de DBP es evitar la adición de desinfectantes químicos hasta que el agua se haya filtrado y añadir sólo la cantidad necesaria para lograr una desinfección adecuada. Algunos DBP pueden ser minimizados cambiando a otro desinfectante, pero todos los desinfectantes químicos forman DBPs. Independientemente de qué desinfectante químico se use, se debe tener mucho cuidado para asegurar una desinfección adecuada, ya que los riesgos para la salud asociados con microorganismos patógenos superan en gran medida a los asociados con las PAD.
Existen varios otros procedimientos que pueden emplearse para tratar el agua, dependiendo de la calidad del agua de la fuente y de la calidad deseada del agua tratada. Los procesos que se pueden utilizar para tratar el agua superficial o subterránea incluyen:
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- El ablandamiento de la cal, que implica la adición de cal durante la mezcla rápida para precipitar iones de calcio y magnesio;
- Estabilización, para prevenir la corrosión y la formación de incrustaciones, usualmente ajustando el pH o alcalinidad del agua o añadiendo inhibidores de incrustaciones;
- Adsorción de carbón activado, para eliminar productos químicos que causan olores o olores o contaminantes orgánicos sintéticos; y
- Fluoración, para aumentar la concentración de fluoruro al nivel óptimo para la prevención de las cavidades dentales.
En comparación con las aguas superficiales, las aguas subterráneas están relativamente libres de turbidez y microorganismos patógenos, pero son más propensas a contener niveles inaceptables de gases disueltos (dióxido de carbono, metano y sulfuro de hidrógeno), dureza, hierro y manganeso, compuestos orgánicos volátiles (COV) Originados por derrames de sustancias químicas o prácticas inadecuadas de eliminación de desechos, y sólidos disueltos (salinidad). Las aguas subterráneas de alta calidad no requieren filtración, pero generalmente se desinfectan para proteger contra la contaminación del agua a medida que pasa a través del sistema de distribución. Los sistemas pequeños a veces están exentos de los requisitos de desinfección si son capaces de cumplir con un conjunto de criterios estrictos. Las aguas subterráneas extraídas de pozos poco profundos oa lo largo de las riberas pueden considerarse «bajo la influencia de las aguas superficiales», en cuyo caso normalmente se les exige por ley que sean filtradas y desinfectadas.
Las aguas subterráneas duras pueden ser tratadas con ablandamiento de la cal, como son muchas aguas superficiales duras, o por el reblandecimiento del intercambio iónico, en el cual los iones del calcio y del magnesio se intercambian para los iones del sodio mientras que el agua pasa a través de un lecho de la resina del intercambio iónico. Las aguas subterráneas que tienen altos niveles de gases disueltos o VOCs se tratan comúnmente mediante extracción de aire, que se consigue al pasar aire sobre pequeñas gotitas de agua para permitir que los gases abandonen el agua y entren en el aire. Muchas aguas subterráneas, aproximadamente una cuarta parte de las que se utilizan para el abastecimiento público de agua en los Estados Unidos, están contaminadas con hierro natural y manganeso, que tienden a disolverse en aguas subterráneas en sus formas químicamente reducidas en ausencia de oxígeno.
El hierro y el manganeso son más comúnmente eliminados por oxidación (logrados por aireación o añadiendo un oxidante químico, como el cloro o el permanganato de potasio) seguido de sedimentación y filtración; Por filtración a través de un medio de adsorción; O por ablandamiento de la cal. Las aguas subterráneas altas en sólidos disueltos pueden ser tratadas usando ósmosis inversa, en la cual el agua es forzada a través de una membrana bajo alta presión, dejando la sal detrás. Los procesos de membrana están evolucionando rápidamente y recientemente se han desarrollado membranas adecuadas para eliminar la dureza, la materia orgánica disuelta y la turbidez de las aguas superficiales y superficiales.