Desinfección con cloro en agua potable: concepto CT, tiempo de contacto T10 y cortocircuito

Clorar agua potable parece sencillo: se agrega hipoclorito y se mide cloro residual en la red. Pero la desinfección depende de dos cosas a la vez: cuánto desinfectante hay y durante cuánto tiempo actúa sobre el microorganismo. Un estanque de gran volumen donde el agua entra y sale casi en línea recta aporta mucho menos tiempo real del que sugiere su volumen. El concepto CT existe precisamente para cuantificar eso y es la base del diseño de tiempos de contacto en las normas de la EPA.

El modelo de Chick-Watson y el producto CT

La inactivación de microorganismos con un desinfectante se describe con la ley de Chick-Watson:

Con $n \approx 1$, la inactivación depende del producto $C \cdot t$: el mismo efecto se logra con más concentración y menos tiempo o al revés. En términos logarítmicos, 1-log equivale a eliminar el 90 %, 2-log el 99 %, 3-log el 99,9 % y 4-log el 99,99 %.

La EPA define el CT de un tramo como:

donde $C$ es el cloro libre residual a la salida del tramo (mg/L), $T_{10}$ el tiempo en que sale el 10 % de un trazador (min) y $BF$ el factor de cortocircuito o baffling factor:

El CT disponible se compara con el requerido, que depende del organismo, la temperatura y el pH. Para virus con cloro libre, entre pH 6 y 9, la guía de la EPA tabula para 2-log, 3-log y 4-log: 6, 9 y 12 mg·min/L a 0,5 °C; 4, 6 y 8 a 5 °C; 3, 4 y 6 a 10 °C; y 2, 3 y 4 a 15 °C. Para quistes de Giardia los valores son mucho mayores y crecen con el pH, porque a pH alto domina el ion hipoclorito, poco biocida. Con un pKa cercano a 7,5, a pH 7 un 76 % del cloro libre es ácido hipocloroso, y a pH 8 solo un 24 %.

Como referencias complementarias, la OMS indica un residual libre de al menos 0,5 mg/L tras 30 minutos de contacto a pH menor que 8 (un CT de 15 mg·min/L). En Chile, la NCh 409/1 fija el cloro libre residual en la red entre 0,2 y 2,0 mg/L.

Ejemplo resuelto

Caudal de 40 L/s (2,4 m³/min), agua a 5 °C y pH 7,5, con un objetivo de 4-log de inactivación de virus (CT requerido de 8 mg·min/L).

Tramo 1, estanque de 300 m³ con deflector solo en la entrada ($BF = 0{,}3$) y 0,8 mg/L de residual a la salida:

• Tiempo de retención teórico: $300/2{,}4 = 125$ min.
• $T_{10} = 0{,}3 \times 125 = 37{,}5$ min.
• $CT = 0{,}8 \times 37{,}5 = 30{,}0$ mg·min/L.

Tramo 2, aducción de 600 m en DN 300 hasta el primer consumidor ($BF = 1{,}0$), con residual de 0,7 mg/L:

• Volumen: $\pi \times 0{,}30^2/4 \times 600 = 42{,}4$ m³.
• $T_{10} = 42{,}4/2{,}4 = 17{,}7$ min y $CT = 0{,}7 \times 17{,}7 = 12{,}4$ mg·min/L.

El CT total de 42,4 mg·min/L da una razón de 42,4/8 = 5,3 veces el requerido, así que se cumple con amplio margen.

El mismo estanque con agua entrando y saliendo sin deflector ($BF = 0{,}1$) y un residual de 0,3 mg/L entregaría $CT = 0{,}3 \times 0{,}1 \times 125 = 3{,}75$: menos de la mitad de lo requerido, con las mismas dos horas de retención nominal.

Dosis: con 0,7 mg/L de demanda más 0,8 mg/L de residual, la dosis es 1,5 mg/L. Para 3.456 m³/d se necesitan 5,18 kg/d de cloro, equivalentes a 51,8 L/d de hipoclorito de sodio de 100 g/L de cloro disponible o a 7,98 kg/d de hipoclorito de calcio al 65 %.

Errores frecuentes

• Usar el tiempo de retención nominal $V/Q$ en vez de $T_{10}$.
• Multiplicar por la dosis en vez del residual medido a la salida del tramo.
• Calcular con el volumen máximo del estanque: la EPA pide usar el nivel mínimo de operación.
• Olvidar el caudal punta: el CT se verifica con el máximo horario, no con el medio.
• Subir el cloro para compensar un mal $BF$: aumenta los subproductos de desinfección. Casi siempre es más barato poner tabiques.

Relacionado: dotación y caudales de diseño, biopelículas y resistencia a la desinfección y conversión de unidades de caudal.