Turbiedad 101: qué es y por qué es tan importante

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raw water turbidity

Image credit: “raw water turbidity,” Eric Shea © 2013, used under an Attribution 2.0 Generic license: https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/

La Turbiedad, una medida de la opacidad o brumosidad de un fluido, fue originalmente pensada como una medida cualitativa de la estética del agua potable. No es una medida de partículas reales en el agua; mide cuánto afectan esas partículas a la luz que se transmite a través del agua, o cómo esa luz se refleja en las partículas en el agua. Los diseños y métodos de turbidez actuales se han reglamentado en un intento de aportar consistencia cuantitativa a la medición de las cualidades estéticas y patógenas del agua potable.



Una breve historia de turbidez

La primera medida formal de la turbidez del agua (alrededor de 1900) se llamó Método Vela Jackson (Figura 1). Era esencialmente un tubo de vidrio vertical montado sobre una vela. La escala en el tubo se calibró usando diluciones de una solución de referencia estándar que comprende 1,000 partes por millón (ppm) de tierra diatomácea (sílice) en agua destilada. Las unidades de medida calibradas en el tubo se llamaron Unidades de turbidez de Jackson (JTU). Se vertió agua de muestra en el tubo hasta que la imagen distintiva de la llama de la vela ya no era visible para el ojo humano cuando se veía desde arriba. La profundidad del agua en el tubo en ese punto correspondía a una lectura distinta de JTU en la escala del tubo. En comparación con los instrumentos y métodos de hoy, ese método original era una medida relativamente cruda de turbidez que podía dar lugar a inconsistencias debido a las diferencias en la vista del espectador y la vela utilizada.

En 1926, Kingsbury, Clark, Williams y Post desarrollaron una nueva solución de referencia estándar (polímero de formacina) que fue más fácil de formular. Proporcionó una mayor consistencia que el estándar de referencia de tierra diatomácea de Jackson, que podría variar según la fuente del material. La formacina también hace un buen trabajo al replicar las partículas y la turbidez típicamente experimentadas en aplicaciones de agua potable. Una ventaja de la formacina es que, aunque no todas las cadenas de polímeros son de un tamaño idéntico, produce una respuesta muy regular cada vez que se sintetiza. El estándar de formacina fue un paso importante hacia la estandarización de las pruebas de turbidez. Todavía se usa en la actualidad, mientras que otros componentes de turbidimetría, como las fuentes de luz y los detectores de luz, se han refinado para eliminar las variables de la luz de las velas y la vista humana.

The original Jackson Candle Turbidimeter was based on the amount of light transmitted from a candle through a column of water.

Figura 1. El turbidímetro de Vela Jackson original se basó en la cantidad de luz transmitida desde una vela a través de una columna de agua.



El papel de la turbidez en el tratamiento actual del agua potable

La razón principal para medir la turbidez en el agua potable es garantizar el mejor trabajo para eliminar patógenos como los quistes de Giardia lamblia y los oocistos de Cryptosporidium parvum, dos de las enfermedades más problemáticas transmitidas por agua en los sistemas de agua en EE. UU. Los quistes de Giardia varían en tamaño de 8 a 13 micras, y la etapa de crecimiento puede variar de 10 a 20 micras. Los oocistos de Cryptosporidium parvum más pequeños, el patógeno que más frecuentemente afecta a los humanos, tienen aproximadamente 5.0 micrones x 4.5 micrones.

El único evento que destacó la relevancia de la turbidez como un indicador potencial de esos problemas en el agua potable fue el brote de criptosporidiosis de 1993 en Milwaukee. La turbidez fue la única medida que se rastreó en proporción al brote, lo que llevó a darse cuenta de que la turbidez podría usarse para controlar ese patógeno muy peligroso.

El valor de la lectura de turbidez no es que pueda decir específicamente cuántos patógenos puede contener una muestra, sino que indica relativamente cuánto o qué tan poco de las partículas reflectantes están afectando la claridad de la muestra, incluso si son indetectables con el ojo humano.


Las mediciones de turbidez se toman normalmente de múltiples ubicaciones en una planta de tratamiento de agua (WTP):


Continuous turbidity monitoring of a water stream after filtration makes it easy to spot filter breakthrough events or to observe steadily deteriorating trends that might indicate a membrane breakthrough.

Figura 2. El monitoreo continuo de la turbidez de una corriente de agua después de la filtración hace que sea fácil detectar eventos de ruptura del filtro u observar tendencias de deterioro constante que podrían indicar una ruptura de membrana.

  • Entrada agua de fuente
    Las lecturas de turbidez de la fuente de agua pueden proporcionar una buena idea de los requisitos de tratamiento de prefiltración (por ejemplo, floculación, coagulación, etc.) que pueden prevenir la sobrecarga de los filtros. Son de particular valor para los WTP que usan agua superficial o fuentes de agua mezcladas donde la calidad y la turbidez pueden variar ampliamente.
  • Prefiltración
    La turbidez se mide antes de la filtración para verificar la efectividad de los procesos de coagulación, floculación y clarificación. Ser capaz de comparar el monitoreo de turbidez antes y después de la filtración proporciona una indicación de la efectividad de la filtración.
  • Post-filtración
    Se requiere un control de la turbidez de los efluentes de filtro individuales y combinados para el cumplimiento normativo. Se realizan mediciones para garantizar que los patógenos no hayan pasado a través de los sistemas de filtración de membrana o convencionales del WTP. Idealmente, este es un proceso continuo que permite a los operadores de la planta reaccionar rápidamente a posibles condiciones molestas (Figura 2) y mantener el cumplimiento. Monitorear las corrientes de filtrado separadas o los bancos de membranas antes de que las corrientes se recombinen también ayuda a optimizar el mantenimiento del filtro y los pasos de limpieza al documentar el rendimiento decreciente o las fallas corriente por corriente. Los turbidímetros también se usan para leer la claridad del agua de retrolavado para evitar ejecutar procedimientos de retrolavado más de lo necesario. (Figure 2) and maintain compliance. Monitoring separate filtering streams or membrane banks before the streams are recombined also helps optimize filter maintenance and cleaning steps by documenting declining performance or failures stream by stream. Turbidimeters are also used to read the clarity of backwash water to avoid running backwash procedures any longer than necessary.
  • Efluente final de la planta
    También se pueden tomar lecturas de turbidez adicionales en el punto donde el agua ingresa al sistema de distribución de agua. Esto puede ser particularmente importante cuando el tratamiento y la distribución del agua son manejados por organizaciones separadas. También se pueden tomar lecturas de turbidez adicionales en varios otros puntos de la red de distribución para monitorear cualquier cambio en la calidad del agua a medida que fluye a través del sistema.


Turbidímetros Vs. Nefelómetros

Si bien la característica de turbidez todavía se usa como una medida de la claridad del agua en la actualidad, el proceso actual utilizado en las pruebas de turbidez después de la filtración de agua potable se llama nefelometría, de la palabra griega nephélē, que significa nube. El instrumento utilizado para medirlo es un diseño de turbidímetro específico llamado nefelómetro (Figura 3).

Un nefelómetro mide la cantidad de luz reflejada por la muestra de agua en un ángulo de 90 grados. Este muestreo de luz reflejada minimiza el efecto de variables como el tamaño de partícula y el color, haciéndolo lo suficientemente sensible como para medir los valores más bajos de turbidez en el efluente del filtro. La EPA de EE. UU publicó su documento original Método 180.1 Determinación de la turbidez por nefelometría en 1993, y ha servido como referencia para la aprobación de metodologías posteriores basadas en los avances en la técnica de medición.

The basic nephelometer design used for drinking water compliance measures light reflected off particles in the water, as detected at a 90-degree angle from the original light source.

Figura 3. El diseño básico del nefelómetro utilizado para el cumplimiento del agua potable mide la luz reflejada por las partículas en el agua, tal como se detecta en un ángulo de 90 grados desde la fuente de luz original.

Para fines de cumplimiento, el efluente combinado de todas las corrientes de filtro debe ser < 0.3 unidades de turbidez nefelométrica (NTU) en el 95 por ciento de las muestras, y nunca más de 1 NTU según la Regla Mejorada de Tratamiento de Agua Superficial a Largo Plazo 1 de la EPA. Se pueden reclamar créditos de tratamiento de Cryptosporidium si los efluentes de filtro individuales y / o combinados se mantienen < 0.15 NTU. La diferencia entre una lectura de 0.3 NTU y una lectura de 1.0 NTU es apenas perceptible para el ojo humano, pero podría ser una gran diferencia en términos de patógenos.



Otras consideraciones de instrumentación de turbidez

Además de los nefelómetros utilizados para documentar el cumplimiento del agua potable, hay otros tipos de turbidímetros disponibles para aplicaciones especializadas.

A ratio turbidimeter design measuring transmitted light at 180° and reflected light at 90°, at 70° (forward scatter), and at 135° (backward scatter) compares the various readings to account for various types of particle interference in turbid and colored samples.

Figura 4. Un diseño de turbidímetro de relación que mide la luz transmitida a 180 ° y la luz reflejada a 90 °, a 70 ° (dispersión frontal) y a 135 ° (retrodispersión) compara las diversas lecturas para tener en cuenta los diversos tipos de interferencia de partículas en turbidez y muestras con color.

Nephelometric performance is linear at low turbidities, then changes as it approaches higher turbidities. Ratio turbidimeters measure four angles of detection simultaneously and calculate the resulting reading values to produce accurate measurements throughout a much larger range of turbidity.

Figura 5. El rendimiento nefelométrico es lineal a turbiedades bajas, luego cambia a medida que se acerca a turbideces más altas. Los turbidímetros de relación miden cuatro ángulos de detección simultáneamente y calculan los valores de lectura resultantes para producir mediciones precisas en un rango de turbidez mucho mayor.

Los nefelómetros sin contacto, que utilizan sensores sin contacto para leer la luz reflejada por las partículas en el agua, son una buena opción para leer la turbidez en muestras de agua cruda que pueden volverse muy turbias y dañar rápidamente un sensor. Esto es especialmente útil para analizar el agua de origen de los ríos afectados por la turbidez (debido a la lluvia y la escorrentía agricola) para ajustar los tratamientos de floculación o coagulación para eliminar los contaminantes antes de que el agua pase por el proceso de filtración.

Para las aplicaciones de tipo de aguas residuales con turbidez extremadamente alta o oscilaciones extremas en los rangos de turbidez, existe otro tipo de turbidímetro llamado turbidímetro de relación (Figura 4). Este diseño mide la luz transmitida a través de la muestra, así como la luz reflejada en varios ángulos: 90 grados, 135 grados (dispersión frontal) y 70 grados (retrodispersión). Luego, la unidad calcula la turbidez en función de las diferencias en las lecturas entre esos cuatro sensores (Figura 5). Este estilo de turbidímetro puede manejar una gama extremadamente amplia de turbididades desde 0.1 NTU hasta 10,000 NTU.



Línea de proceso vs. Instrumentos de laboratorio

Debido a las limitaciones de costos, algunas Plantas de Tratamiento de Agua más pequeñas pueden usar solo uno o dos instrumentos de laboratorio para el muestreo de turbidez. Las plantas de agua más grandes tenderán a tener múltiples nefelómetros en línea para el monitoreo continuo del proceso y usar instrumentos de laboratorio para respaldo y como un control de las lecturas del proceso. Se debe tener cuidado al comparar las mediciones de laboratorio y proceso, a menos que la tecnología de detección en ambos sea idéntica. Las diferencias en los métodos de medición pueden introducir variables potenciales entre las dos lecturas. Los cambios físicos en las muestras, como la sedimentación de partículas, pueden ocurrir con el tiempo mientras las muestras se transportan desde la línea de proceso al laboratorio. Además, el mal manejo de las celdas de muestra de vidrio o plástico puede provocar rayaduras o manchas que pueden alterar la transmisión de luz y sesgar las lecturas.