UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

“OPTIMIZACION DEL METODO DE COAGULACION- FLOCULACION PARA LA REMOCION DE ARSENICO DE FUENTES DE AGUA

POTABLE EMPLEANDO SULFATO DE ALUMINIO TIPO A”

TESIS

PRESENTADO POR:

Bach. POMALAZA BACILIO, FANNIE SUSAN Bach. VICTORIA RIVERA, MASHYORY ROSMERY

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO QUIMICO

HUANCAYO - PERÚ

2016

ASESOR

Mg. Ever Florencio Ingaruca Alvarez

DEDICATORIA

A mis padres Víctor Tomás Pomalaza Jáuregui, Matilde Reyna Bacilio Tapia por enseñarme a crecer y a que si caigo debo levantarme, por apoyarme y guiarme, por ser la base y la motivación para llegar hasta aquí; a mis hermanos Max y Jimy por lo vivido aprendido y compartido.

Susan

A mis padres Luis Alberto Victoria Garcia, Maribel Pilar Rivera Perez, y a mi hermano; por su apoyo y esfuerzo incondicional que me han permitido lograr a lo largo de estos años culminar satisfactoriamente mi carrera profesional y finalmente a las personas que siempre confiaron en mí.

Mashyory

AGRADECIMIENTOS

Le agradecemos a Dios por habernos acompañado y guiado a lo largo de nuestra carrera, por ser nuestra fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarnos una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobro todo felicidad.

Le damos gracias a nuestros padres por apoyarnos en todo momento, por los valores inculcados, y por habernos dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de nuestras vidas. Sobre todo porque son un excelente ejemplo de vida a seguir.

A nuestros hermanos, por ser parte importante de nuestras vidas y representar la unidad familiar por llenar de nuestras vidas de alegría y amor cuando más lo necesitábamos.

Gracias Ing. Ever Florencio Ingaruca Alvarez por creer en nosotras y habernos brindado la oportunidad de desarrollar nuestra tesis profesional con usted, así mismo por todo el apoyo brindado en todas las fases de este proyecto

Asimismo, agradecemos a todos los ingenieros de la Facultad de Ingeniería química por brindarnos su conocimiento y consejos para la vida durante aquellos cinco años.

A la jefa de laboratorio de Análisis Químico Ing. Carmen Velit Villareal de la Facultad de Ingeniería Química-UNCP, por el servicio brindado y la orientación en el uso del Equipo Prueba de Jarras.

Al jefe de laboratorio de Análisis de Agua de la Universidad Nacional del Centro de Perú por la predisposición de brindarnos el laboratorio para la preparación de muestras.

A nuestros amigos Pedro, Natali Taipe, Nathaly Torre, Diana, Fresia y Yesenia, por ser parte significativa de nuestras vidas, y por haber hecho el papel de una familia verdadera en todo momento, gracias por su apoyo, comprensión y sobre todo por su amistad incondicional.

Finalmente, agradecemos a nuestras familiares por su amor y apoyo incondicional durante el desarrollo de esta tesis.

Susan y Mashyory

RESUMEN

El presente trabajo de tesis titulado:¨ OPTIMIZACION DEL METODO DE COAGULACION - FLOCULACION PARA LA REMOCION DE ARSENICO DE FUENTES DE AGUA POTABLE EMPLEANDO SULFATO DE ALUMINIO TIPO A¨, tiene como objetivos: optimizar el método de coagulación - floculación para la remoción de arsénico de fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia empleando sulfato de aluminio tipo A, caracterizar las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia, determinar la dosis óptima del coagulante sulfato de aluminio para la remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del Distrito de La Unión Leticia, determinar la ecuación de optimización para la remoción de arsénico, comprobar la remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia.

En el análisis químico de metales totales por el método de Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) se encontró que las fuentes de agua potable de la Unión Leticia contienen 0.09440mgAs/L, así también en el análisis fisicoquímico se encontró que las fuentes de agua potable de la Unión Leticia contienen 123,4mgCaCO3/L de alcalinidad total, 6,580mgNO2/L de nitritos, 0,204 mgNO3/L de nitratos y 403,1mgSO4⁼/L de sulfatos.

La dosis optima del coagulante sulfato de aluminio tipo A para la remoción de arsénico es 120mgAl2(SO4)3/L esto se determinó en el Laboratorio de Análisis Químico de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú mediante el equipo de test de jarras realizando 27 experimentos con dosificaciones de 118 mgAl2(SO4)3/L , 120 mgAl2(SO4)3/L y 122 mgAl2(SO4)3/L, a las condiciones de 15,8°C de temperatura, pH 8, tiempo de duración de mezcla rápida de 3 minutos, 5 minutos y 7 minutos respectivamente, gradiente de velocidad de mezcla rápida de 200rpm, tiempo de duración de mezcla lenta de 15 minutos, gradiente de mezcla lenta de 60rpm y un tiempo de sedimentación de 30 minutos.

La ecuación de optimización es Y = -0.0146x²+ 3.5698x-128.2, que se obtuvo a partir de la gráfica en Excel de la Dosis vs. % Remoción de 12 pruebas preliminares realizadas en el Laboratorio de Análisis Químico de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú mediante el equipo de test de jarras trabajando con dosificaciones de 100 mgAl2(SO4)3/L , 103 mgAl2(SO4)3/L, 106 mgAl2(SO4)3/L, 109 mgAl2(SO4)3/L, 112 mgAl2(SO4)3/L, 115 mgAl2(SO4)3/L, 118 mgAl2(SO4)3/L, 121 mgAl2(SO4)3/L, 124 mgAl2(SO4)3/L, 127 mgAl2(SO4)3/L, 130 mgAl2(SO4)3/L y 133 mgAl2(SO4)3/L, a las condiciones de 16,5°C de temperatura, pH 8, tiempo de duración de mezcla rápida de 1 minuto, 3 minutos, 5 minutos y 7 minutos respectivamente, gradiente de velocidad de mezcla rápida de 200rpm, tiempo de duración de mezcla lenta de 15 minutos, gradiente de mezcla lenta de 60rpm y un tiempo de sedimentación de 30 minutos.

El porcentaje de remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del Distrito de La Unión Leticia es 89,14% que representa una disminución de 0,0958mgAs/L a 0,0104mgAs/L, se trabajó mediante el equipo test de jarras con la dosis optima de coagulante de 120mgAl2

(SO4)3/L a una temperatura de 16°C, pH 8, tiempo de duración de mezcla rápida de 5 minutos, gradiente de velocidad de mezcla rápida de 200rpm, tiempo de duración de mezcla lenta de 15 minutos, gradiente de mezcla lenta de 60rpm y un tiempo de sedimentación de 30 minutos.

La optimización del método de coagulación – floculación para la remoción de arsénico de fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia se determinó derivando la ecuación de optimización respecto a la dosis del coagulante e igualando a cero obteniendo así la mejor dosis 122,25 mgAl2(SO4)3/L, es así que respecto a la dosis optima 120 mgAl2(SO4)3/L se optimiza el método.

INTRODUCCION

La contaminación de los mantos freáticos debido a las actividades antropogenicas es un problema común y perjudicial a nivel mundial. La contaminación de las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia Tarma ha ido creciendo considerablemente respecto al arsénico, a causa de la actividad minera de extracción de oro realizada por la Compañía Minera Chanchamina que concluyo en el año 1983. El arsénico es un metal pesado carcinógeno pues durante exposición por una temporada considerable puede provocar arsenicismo así como también cáncer a los pulmones, riñones, hígado y páncreas. En este caso los mantos freáticos presentan arsénico en concentración superior a 0,010 mgAs/L, límite establecido por el DS N°031-2010 SA, como consecuencia el abastecimiento de agua potable a la población se complica ya que para cumplir con esta regulación será necesario pasar de un sistema que nunca ha requerido de tratamiento y por tanto no cuenta con infraestructura de tratamiento, a un sistema que si lo requiere y por tanto demandaría costos de inversión adicionales y una operación más especializada.

El método para remover el arsénico dependerá de la cantidad de agua a tratar, de la concentración y forma del arsénico, de la presencia de otros constituyentes iónicos y del grado de sofisticación que pueda ser aplicado al sistema la IBEROARSEN identifica como las mejores tecnologías para remover As (V): oxidación – reducción, precipitación, coagulación–

filtración, intercambio iónico, separación por membrana, electrodiálisis reversa, adsorción en alúmina activada, siendo el método más accesible el de coagulación – floculación mediante el test de jarras.

La tesis se divide en tres capítulos: El capítulo I, comprende los antecedentes y la revisión bibliográfica. El capítulo II la parte experimental, que abarca desde el muestreo de las fuentes de agua, la caracterización de las mismas, preparación de las soluciones y la descripción del método de coagulación-floculación. Finalmente el capítulo III, contiene los resultados

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

 Optimizar el método de coagulación - floculación para la remoción de arsénico de fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia empleando sulfato de aluminio tipo A.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

 Caracterizar las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia.

 Determinar la dosis óptima del coagulante sulfato de aluminio tipo A para la remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia.

 Determinar la ecuación de optimización para la remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia.

 Confirmar la remoción de arsénico de las fuentes de agua potable del distrito de La Unión Leticia empleando variables óptimas.

SIMBOLOGIA

 mg/L : Miligramos por litro.

 mL : Mililitro

 °C : Grados centígrados

 N : Normalidad

 V : Volumen de la solución acuosa en litros.

 M : Molaridad.

 m : Masa de Soluto.

 PM : Peso molecular de soluto

 V1 : Volumen de coagulante.

 C1 : Concentración de solución madre de coagulante.

 As : Arsénico.

 ppm : Partes por millón.

 min : Minutos.

 m.s.n.m. : Metros sobre nivel del mar.

 UTM : Sistema de coordenadas universal transversal de Mercator.

 PET : Polietileno tereftalato.

 LD : Limite de Detección

 mgAs/L : Miligramo de Arsénico por Litro

 mgAl2(SO4)3/L :Miligramo de Sulfato de aluminio por litro

 LMP : Límites máximos permisibles.

 UNT : Unidad nefelométrica de turbiedad.

 C0 : Concentración inicial.

 Cf : Concentración final.

INDICE

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTOS iv

RESUMEN v

INTRODUCCION vii

OBJETIVOS viii

SIMBOLOGIA ix

CAPITULO I MARCO TEORICO

Antecedentes 1

1.1. El Agua 2

1.1.1. Contaminación del Agua 2

1.1.2. Contaminación del Agua por metales pesados 3

1.2. Metales Pesados 3

1.2.1. Toxicidad de metales pesados 4

1.2.2. Vías de entrada y origen de los metales pesados en los SA 4

1.2.3. Origen natural 5

1.2.4. Origen antropogenico 5

1.3. El Arsénico 5

1.3.1. Toxicología del arsénico 6

1.3.2. Estudio epidemiológico en el Perú 7

1.4. Manantial Antareyoc La Unión Leticia 7

1.5. Tecnologías para el abatimiento del Arsénico 9

1.5.1. Tecnología convencional 9

1.5.1.1. Oxido – Reducción 10

1.5.1.2. Precipitación 10

1.5.1.3. Coagulación – Filtración 11

1.5.1.4. Ablandamiento con cal 11

1.5.1.5. Adsorción y Precipitación 11

1.5.1.6. Procesos de membrana 13

1.6. Coagulación – Floculación 15

1.6.1. Coagulación 15

1.6.1.1. Mecanismo de coagulación 16

1.6.1.2. Coagulantes más utilizados 19

1.6.1.3. Factores que influyen en la coagulación 21

1.6.2. Floculación 22

1.6.2.1. Tipos de floculación 23

1.6.2.2. Factores que influyen en la coagulación 23

1.6.2.3. Floculantes 23

1.7. Test de Jarras 24

1.7.1. Antecedentes 24

1.7.2. Descripción del equipo de test de jarras 25

1.7.3. Sistema de dosificación 26

1.7.4. Sistema de agitación 27

1.7.5. Descripción de jarras 28

CAPITULO II

PROCEDIMIENTO EXPERMIENTAL

2.1. Materiales, Equipos y Reactivos 30

2.2. Metodología de investigación 30

2.3. Población y Muestra 31

2.3.1. Población 31

2.3.2. Muestra 31

2.3.2.1. Protocolo de Monitoreo 31

2.4. Metodología Desarrollada 35

2.4.1. Preparación de solución acuosa de As⁺⁵ 35

2.4.2. Preparación del coagulante 37

2.4.3. Procedimiento para la coagulación – floculación de As⁺⁵ 39 2.4.4. Procedimiento para la Coagulación – Floculación de As⁺⁵de las fuentes de agua

potable de La Unión Leticia 42

2.4.5. Diseño Experimental 42

2.4.5.1. Constantes 42

2.4.5.2. Niveles de las variables independientes 42

2.4.5.3. Matriz de diseño 43

2.5. Tratamiento estadístico 43

CAPITULO III

TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.3. Pruebas experimentales 48 3.4. Niveles adecuados de las variables independientes 56 3.5. Coagulación – Floculación de las fuentes de agua potable La Unión Leticia 57 3.6. ANOVA de las variables dosis optima y tiempo de coagulación 58

CONCLUSIONES 63

RECOMENDACIONES 65

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 66

ANEXO A 70

ANEXO B 71

ANEXO C 72

ANEXO D 74

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1: Caracterización de las fuentes de Agua – Manantial Antareyoc

Tabla 1.2: Parámetros de campo de los puntos de monitoreo in-situ por DIRESA Tabla 1.3: Resultado de Análisis de Laboratorio INSPECTORATE SERVICES.A.C

Tabla1.4: Comparación de los parámetros característicos de tecnologías con las membranas.

Tabla1.5: Características de los agitadores.

Tabla 2.1: Materiales Adicionales.

Tabla 2.2: Constantes del proceso coagulación-floculación Tabla 2.3: Niveles de las variables independientes

Tabla 2.4: Diseño experimental

Tabla 3.1: Resultados de medición in-situ Tabla 3.2: Resultados del análisis fisicoquímico Tabla 3.3: Resultados del análisis de Metales Totales Tabla 3.4: Resultados del diseño experimental

Tabla 3.5. Porcentaje de Remoción promedio para cada nivel

Tabla 3.6: Valores óptimos para el proceso de coagulación-floculación

Tabla 3.7: Resultado de concentración de Arsénico del agua de captación del distrito de La Unión Leticia.

Tabla 3.8: Resultado de la interacción de la dosis con el agua de Captación según los niveles adecuados.

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Coagulación.

Figura 1.2: Coagulación- fuerza de Vander Waals.

Figura 1.3: Re estabilización de partículas.

Figura 1.4: Atrapamiento de las partículas en un floc.

Figura 1.5: Efecto de puente de las partículas en suspensión.

Figura 1.6: Formación de floculos.

Figura 1.7: Equipo Antiguo de Prueba de Jarras.

Figura 1.8: Equipo de prueba de Jarras Figura 1.9: Jarras de precipitado de 2L Figura 1.10: Estatores o deflectores de 2L

Figura 1.11: Abaco que relaciona la gradiente de velocidad con las revoluciones por minuto de un equipo de prueba de jarras con recipientes de 2L.Jarra de Succión.

Figura 2.1: (a) Localización nacional, (b) localización regional, (c) localización distrital (d) localización del punto de monitoreo.

Figura 2.2. (a)Fuente de captación, (b) medidor de pH, (c) preservación de muestra (d) muestra para envió.

Figura 2.3: (a) Reactivo Acido Arsénico, (b) medición de peso de reactivo, (c) fiola de 1L (d) Contenido solución acuosa ácido arsénico.

Figura 2.4: (a) Reactivo Al²(SO4)3.18H2O, (b) medición del peso de reactivo, (c) aforo de la solución madre (d) Solución madre Al2(SO4)3.18H2O al 1%

Figura 2.5: Muestra de solución acuosa de As⁺⁵ Figura 2.6: Dosificación del coagulante

Figura 2.7: Floculación de la muestra Figura 2.8: Sedimentación de la muestra

Figura 3.1. Curva de dosificación de coagulante Vs % de remoción Figura 3.2: Relación de dosis de coagulante respecto al % de remoción

Figura 3.3: Curva de los tiempos de coagulación respecto al % de remoción con una dosificación de 118, 120,122 ppm.

Figura 3.4: Representación gráfica del porcentaje de remoción promedio de Arsénico y concentración promedio de Arsénico

Figura 3.5: Influencia de la dosis del coagulante respecto al % de remoción Figura 3.6: Influencia del tiempo de coagulación respecto al % de remoción

Figura 3.7: Porcentaje de remoción promedio para los tres niveles de tiempo de duración de mezcla rápida (tiempo de coagulación) a 120ppm.

CAPITULO I: MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES:

(DIGESA,2014), Mediante Informe N°006-2014-GRJ-DRSJ-DESA/USB, de fecha 17 de Enero del 2014, la Dirección Ejecutiva de Salud Ambiental - Junín comunica sobre la interpretación de resultados de análisis de agua realizado en el distrito de La Unión Leticia, y como conclusión informan que existe una concentración de Arsénico (As), en las muestras de código de campo M-5, M-6 y M-7 (Manantial Antareyoc) que superan los valores establecidos en el marco normativo vigente.

(Mauricio Pardo Ojeda -OPS & Martha Aviles Flores -IMTA) Para determinar la mejor dosis de sulfato de aluminio, se efectuaron pruebas de jarras a pH natural empleando agua sintética con 1 mg As/l. Se emplearon dosis del coagulante en un rango de 40 a 80 mg/l. Las concentraciones de arsénico residual con respecto a la dosis de sulfato de aluminio, encontrándose que los valores más bajos se obtienen al aplicar 70 y 80 mg/l de coagulante.

(FrancoM.Francisca & Magali Carro Perez, 2014) En los ensayos realizados se varió la dosis de los coagulantes desde 5 a 500 mg/L, la de partículas sólidas desde 0 a 6000 mg/L y la concentración inicial de arsénico desde 0.5 a 5 mg/L. Con estas variables se han realizado combinaciones en más de 100 experimentos. Se obtuvieron porcentajes de remediación de arsénico que variaron desde 0 hasta 95 %. Los resultados obtenidos permitieron lograr remociones del 95 %al incorporar cloruro férrico y del 80% con sulfato de aluminio en soluciones con arsenato. Para dosis de cloruro férrico mayores a 50 mg/L la eficiencia de la remediación disminuyó considerablemente en relación con los resultados obtenidos con sulfato de aluminio, para todos los tipos y concentraciones de sólidos. Las mayores remociones se lograron a pH entre 3 y 5, en soluciones oxidadas.

(ML. Castro de Esparza, 2006), en América Latina, los estudios han estado orientados al uso de la coagulación química: con sulfato de aluminio, cal hidratada y polielectrolito de sodio, y han logrado tenores de arsénico a 0,12-0,15mg/L. Con coagulación directa sobre filtro y con coagulación-floculación han logrado alcanzar valores bajo 0,05mg/L. En la remoción mediante adsorción han empleado hematitas y materiales con alto contenido de hierro y superficies de carga positiva (arcilla verde natural, arcillas activadas, zeolita natural y activada y carbón de hueso).

1.1. EL AGUA:

El agua es un componente de nuestra naturaleza que ha estado presente en la Tierra desde hace más de 3,000 millones de años, ocupando tres cuartas partes de la superficie del planeta. Alrededor del 98%, corresponde a agua salada que se encuentra en mares y océanos, el agua dulce que poseemos en un 69% corresponde a agua atrapada en glaciares y nieves, un 30% está constituido por aguas subterráneas y una cantidad no superior al 0,7%

se encuentra en forma de ríos y lagos. El agua es una molécula simple y extraña, puede ser considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, donde la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de la mayor parte de las formas vivas es agua. El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Posee un extraño comportamiento, que la convierte en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, manifiesta extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia biológica.

Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las propiedades del agua (Robledo y Castaño, 2012).

1.1.1.Contaminación del Agua:

La contaminación de cuerpos de agua (ríos, lagos, océanos y agua subterránea) ocurre cuando los contaminantes son descargados directamente o indirectamente en cuerpos de agua sin un adecuado tratamiento que remueva los componentes dañinos. La contaminación del agua afecta plantas y organismos que viven en estos cuerpos de agua, y en la mayoría de los casos afecta dañando no solamente a las especies individuales y las poblaciones así como en las comunidades biológicas. El agua de dichos cuerpos se ha contaminado mediante sustancias tóxicas como ácidas, solventes orgánicas, pinturas, metales y demás, derivados de actividades industriales, agrícolas, ganaderas, domésticas, dicha agua ya no es apta para el consumo. La descarga de contaminantes específicos no es la única causa de contaminación del agua, también la construcción de presas, embalses y desviaciones de ríos pueden degradar seriamente su calidad (Heinke et al., 1999).

1.1.2.Contaminación del agua por metales pesados:

La calidad de las aguas puede ser alterada como consecuencia de las actividades antropogenicas o naturales que producen efectos adversos que cambian su valor para el

sus condiciones naturales de calidad, ocasionando grandes riesgos para la salud y el bienestar de la población. Particularmente peligroso es la contaminación provocada por las altas concentraciones de algunos metales pesados y su incremento en los efectos adversos causados por la persistencia y el fenómeno de biomagnificación. De forma natural, los metales son introducidos a los sistemas acuáticos como resultado de la lixiviación de suelos y rocas, y erupciones volcánicas. También pueden provenir de las actividades antropogenicas como son, agrícolas, domésticas, industriales y mineras. La actividad minera-metalúrgica a través del procesamiento de minerales y fundición, podría causar la dispersión y depósito de grandes cantidades de metales hacia el medio ambiente, si existe alguna operación inadecuada. Al contrario de muchos contaminantes orgánicos los metales pesados, generalmente, no se eliminan de los ecosistemas acuáticos por procesos naturales debido a que no son biodegradables. Por el contrario son muy contaminantes y sufren un ciclo global ecobiológico, donde las aguas naturales son el principal camino. Hoy en día los metales pesados tienen un gran significado como indicadores de la calidad ecológica de todo flujo de agua debido a su toxicidad y muy especialmente al comportamiento bio-acumulativo.

Asimismo los metales pesados tienen tendencia a formar asociaciones con sustancias minerales (carbonatos, sulfatos, etc.) y en mayor grado con sustancias orgánicas, mediante fenómenos de intercambio iónico, adsorción, quelación, formación de combinaciones químicas, etc., por lo que se acumulan en el medio ambiente, principalmente en los sedimentos de ríos, lagos y mares. Las altas concentraciones de metales pesados en las aguas de corrientes fluviales asociados a sulfuros tales como el arsénico (As), cadmio (Cd), cobre (Cu), plomo (Pb) y zinc (Zn) pueden atribuirse a la minería lo cual son causa del fuerte impacto en el medio ambiente. En cambio, otros metales no-sulfurosos como el cromo (Cr), níquel (Ni) y mercurio (Hg) posiblemente indican una contaminación antropogenicas de metales pesados que están estrechamente asociados con las descargas industriales (Branco- Murgel, 1984).

1.2. METALES PESADOS:

Los metales pesados constituyen un grupo cercano a los 40 elementos de la tabla periódica que tienen una densidad mayor o igual a 5 g/cm3. El rasgo distintivo de la fisiología de los metales pesados, es que aun cuando muchos de ellos son esenciales para el crecimiento como el sodio (Na), potasio (K), magnesio (Mg), calcio (Ca), vanadio (V), manganeso (Mn), hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), Cu, Zn y molibdeno (Mo), se ha reportado que también tienen efectos tóxicos sobre las células, principalmente como resultado de su capacidad para alterar o desnaturalizar las proteínas (Wood, 1974).

1.2.1.Toxicidad de metales pesados:

Existen evidencias experimentales que han llegado a demostrar el grado de importancia biológica de los iones metálicos pesados con respecto a los sistemas vivos, de los que algunos son oligoelementos, sigue el mismo patrón que tiene su disponibilidad en la naturaleza (Wood, 1974). Además existe una aparente correlación entre la abundancia de los elementos en la corteza terrestre y las necesidades alimentarias de las células microbianas (Wood, 1989). Estos metales, en cantidades mínimas o traza, pueden ejercer efectos positivos o negativos sobre los seres vivos. El grado de toxicidad potencial de los metales pesados depende de una serie de factores. En primer lugar, depende de la propia naturaleza del metal y también de su disponibilidad en el ambiente. Atendiendo a estos dos factores, se clasificaron los metales en tres categorías: No críticos: Fe, Mn y Al. Tóxicos pero muy insolubles: Ti, Hf, Nb, Ta, Re, Ga, Os, Rh, Ir, Ru y Ba

Muy tóxicos y relativamente disponibles: Be, Co, Ni, Zn, Sn, Cr, As, Se, Te, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Sb y Bi. Otros factores que influyen en la toxicidad del elemento, son entre otros el estado molecular que presenta el metal, el tiempo de residencia en el sistema, el pH, el potencial redox del ambiente, los iones inorgánicos presentes en las aguas, la temperatura y diversos factores biológicos (Juviña, 2005).

1.2.2.Vías de entrada y Origen de los metales pesados en los sistemas Acuáticos:

Los metales tienen tres vías principales de entrada en el medio acuático:

A. La vía atmosférica,

Se produce debido a la sedimentación de partículas emitidas a la atmósfera por procesos naturales o antropogenicas (principalmente combustión de combustibles fósiles y procesos de fundición de metales).

B. La vía terrestre,

Producto de filtraciones de vertidos, de la escorrentía superficial de terrenos contaminados (minas, utilización de lodos como abono, lixiviación de residuos sólidos, precipitación atmosférica, etc.) y otras causas naturales.

C. La vía directa,

De entrada de metales es a consecuencia de los vertidos directos de aguas residuales industriales y urbanas a los cauces fluviales. En los sistemas acuáticos continentales (ríos, lagos, embalses, etc.) los metales pesados son introducidos como resultado de la acción de

1.2.2.1. Origen natural

El contenido en elementos metálicos de un suelo libre de interferencias humanas, depende en primer grado de la composición de la roca madre 13 originaria y de los procesos erosivos sufridos por los materiales que conforman el mismo (Adriano, 1986). La acción de los factores medioambientales sobre las rocas y los suelos derivados de ellos son los determinantes de las diferentes concentraciones basales (niveles de fondo) de metales pesados en los sistemas fluviales (aguas, sedimentos y biota) (Adriano, 1986).

1.2.2.2. Origen antropogenico

Se entiende por contaminación de origen antropogenico la procedente de la intervención humana en el ciclo biogeoquímico de los metales pesados. El uso de los metales pesados ha ido aumentando paralelamente al desarrollo industrial y tecnológico. Actualmente es difícil encontrar una actividad industrial o un producto manufacturado en los que no intervenga algún metal pesado. Si bien, la tendencia aunque lenta, es sustituir progresivamente en la industria, algunos metales pesados potencialmente tóxicos por otros materiales más inocuos (Förstner, 1979).

1.3. ARSÉNICO

El arsénico es un elemento ampliamente distribuido en la corteza terrestre. El arsénico ha sido clasificado químicamente como un metaloide, con propiedades tanto de metal como de elemento no metálico; sin embargo, se le refiere frecuentemente como un metal. El arsénico elemental (llamado también arsénico metálico) es un material sólido de color gris acero. Sin embargo, en el ambiente el arsénico generalmente se encuentra combinado con otros elementos como por ejemplo oxígeno, cloro y azufre. El arsénico combinado con estos elementos se conoce como arsénico inorgánico. El arsénico combinado con carbono e hidrógeno se conoce como arsénico orgánico. La mayoría de los compuestos inorgánicos y orgánicos de arsénico son polvos de color blanco que no se evaporan. No tienen olor y la mayoría no tiene ningún sabor especial. Por esta razón, generalmente no se puede saber si están presentes en los alimentos, el agua o el aire. El arsénico inorgánico ocurre naturalmente en el suelo y en muchos tipos de rocas, especialmente en minerales que contienen cobre o plomo. Cuando estos minerales se calientan en hornos, la mayor parte del arsénico se elimina a través de la chimenea en forma de un polvo fino que entra a la atmósfera. Las fundiciones pueden recuperar este polvo y remover el arsénico en la forma de un compuesto llamado trióxido de arsénico (As2O3). (ATSDR ,2007)

1.3.1.Toxicología del Arsénico

Las principales rutas de exposición de las personas al arsénico son la ingesta e inhalación.

Este elemento es acumulable en el organismo por exposición crónica, y a ciertas concentraciones ocasiona afecciones como: alteraciones de la piel (relajamiento de los capilares cutáneos y la dilatación de los mismos) con efectos secundarios en el sistema nervioso, irritación de los órganos del aparato respiratorio, gastrointestinal, y hematopoyético y acumulación en los huesos, músculos y piel, y en menor grado en hígado y riñones. La evidencia epidemiológica de personas con ingestión prolongada de arsénico inorgánico, vía agua de bebida, es la hiperqueratosis palmo-plantar, cuya manifestación principal es la pigmentación de la piel y callosidades localizadas en las palmas de las manos y pies. La toxicidad del arsénico depende del estado de oxidación, estructura química y solubilidad en el medio biológico. La escala de toxicidad del arsénico decrece en el siguiente orden: arsina

> As+3 inorgánico > As+3 orgánico > As+5 inorgánico > As+5 orgánico > compuestos arsenicales y arsénico elemental. La toxicidad del As+3 es 10 veces mayor que la del As+5 y la dosis letal para adultos es de 1-4 mg As/Kg. Para las formas más comunes como AsH3, As2O3, As2O5 esta dosis varía en un rango entre 1,5 mg/kg y 500 mg/kg de masa corporal (The National Academy of Sciences, 1999). En el agua de bebida, por lo general el arsénico se encuentra en la forma de arsenato y puede ser absorbido con facilidad (Frederick; Kenneth;

Chien-Jen, 1994) en el tracto gastrointestinal en una proporción entre 40 y 100%. El arsénico inorgánico ingerido pasa al torrente sanguíneo, donde se enlaza a la hemoglobina y en 24 horas puede encontrarse en el hígado, riñones, pulmones, bazo y piel. (Health Canada, Ottawa, 1992).

1.3.2.Estudio Epidemiológicos en el Perú.

En la zona sur del Perú, existen áreas semidesérticas cuya población bebe agua de los ríos que se originan en los Andes y que fluyen hacia el Océano Pacífico. En algunos de estos ríos se han detectado trazas de arsénico, por ejemplo el río Locumba (0,5 mg As/L), que atraviesa Puno y Moquegua (Valle de Hilo), donde la población expuesta a este elemento es de aproximadamente 250.000 habitantes (Esparza, 1989). En 1994, se hizo un estudio del contenido de arsénico de las aguas de consumo de la vertiente del río Rímac y se analizaron 53 muestras de agua potable, de río, pozo y manantiales; se encontró que 84,9%

sobrepasaban el límite recomendado por la OMS (Infante; Palomino, 1994). Sin embargo, no se han registrado casos de envenenamiento con arsénico. En 1999 se hizo otro estudio en las aguas de consumo de la provincia de Huaytará, Huancavelica.

De las 31 muestras analizadas, se obtuvo un promedio de 0,0246 mg/L de arsénico; la concentración más alta se registró en Pachac, probablemente debido a un establo donde se almacena abono y plaguicidas arsenicales (Flores, 1999).

El año 2002 se hizo una evaluación en el Valle del Río Locumba que presenta niveles de arsénico entre 0,4 y 0,2 mg/L. La población de este valle consume esta agua desde hace mucho tiempo sin que se hayan reportado casos de arsenicismo. En la localidad de Puno, se reportaron niveles de arsénico en pozos recientemente instalados (hasta 0,18 mg/L). Se hará un estudio de evaluación de alternativas para la remoción de arsénico. En Lima y Callao se realizó un monitoreo de la calidad del aire cerca de los depósitos de concentrados de minerales (Pb, Cu, Zinc) del Callao, a lo largo del año 2000, que consistió en la medición de material particulado, plomo y arsénico en PM10 en ocho puntos. Los valores obtenidos para el arsénico estaban dentro del máximo nivel permisible dado por el Ministerio de Energía y Minas (6 mg/m³) (Iglesias; González, 2001).

1.4. MANANTIAL ANTAREYOC LA UNIÓN LETICIA – TARMA

La ciudad de la unión Leticia se ubica a 3602 msnm, se localiza en el centro oriental de la Provincia de Tarma, cuenta con una población aproximada de 1,839 habitantes, el servicio de agua y saneamiento es administrado por la Municipalidad y la JASS.

Su clima es frío y seco, con una temperatura media anual de 13 ˚C. Su extensión es de 254 km. Su plaza principal muestra una peculiar pileta de metal con tres cuerpos que tiene como motivo principal a niños con cántaros de donde brotan sendos chorros de agua. La pileta está rodeada de jardines con cipreses. Alrededor del parque se encuentra la iglesia, la municipalidad distrital, el museo así como típicas y antiguas viviendas andinas. Las actividades principales son la agricultura, ganadería y la minera, de gran impacto en la provincia.

Tabla 1.1: Caracterización de las fuentes de agua Manantial - Antareyoc

FUENTE CAPACIDAD

(L/s)

UBICACION

Este Norte Altitud Manantial Antareyoc

Se encuentra ubicado a 5 kilómetros al lado Norte de la ciudad

20 L/s 0417242 8742380 3,602

Fuente: Informe N°006-2014-GRJ-DRSJ-DESA/USB

Cod. Origen de la Fuente

Punto de

muestreo Conductividad Turbidez Cloro

libre pH Temp.

C°

M05 Mananteal

Anatreyoc Captación 943 1.6 0.0 7.74 7.3

M06 Mananteal

Anatreyoc Reservorio 941 0.13 0.0 7.63 7.0

M07 Mananteal Anatreyoc

C.S. La

Unión 909 0.42 0.0 7.98 6.5

Tabla 1.2: Parámetros de campo de los puntos de monitoreo in-situ por DIRESA

Fuente: Informe N°006-2014-GRJ-DRSJ-DESA/USB Tabla 1.3: Resultado de Análisis de Laboratorio

Cod. Origen de la Fuente

Punto de muestreo

As

Total Unidad

ECAs Categoría 1-A1 Aguas que puedan ser

potabilizadas con desinfección(mg/l)

LMP DS N°031- 2010-SA

(mg/l) M05 Mananteal

Anatreyoc Captación 0.0343 mg/L 0.10

M06 Mananteal

Anatreyoc Reservorio 0.0340 mg/L 0.10

M07 Mananteal Anatreyoc

C.S. La

Unión 0.0318 mg/L 0.10

Fuente: Informe de ensayo N°105977L/13-MA de fecha 08-10-13 INSPECTORATE SERVICES S.A.C

1.5. TECNOLOGÍAS PARA EL ABATIMIENTO DE ARSÉNICO

El As en el agua de bebida es un problema latente y que afecta a millones de personas en todo el mundo, en especial a las de bajos recursos económicos y que se encuentran fuera de los centros urbanos. Ante esta problemática local y mundial se tornó vital brindar alternativas para la eliminación y/o disminución del contenido de As en las aguas, por ello se desarrollaron varios métodos para el abatimiento del As del agua.

La elección de una adecuada tecnología aplicable a una situación específica, depende de varios factores, es por ello que se debe analizar la viabilidad técnica, en primera instancia y posteriormente factibilidad socioeconómica y exigencias medioambientales de la zona.

Desde el punto de vista técnico, las características fisicoquímicas y microbiológicas de las aguas y los materiales disponibles en la región son un factor importante para elegir el método de remoción más apropiado. La selección del método dependerá grandemente de la especiación del As, la composición química del agua, el potencial de reducción, la dureza, la presencia de sílice, sulfatos, fosfatos, hierro y otras especies químicas, los volúmenes a ser tratados y el grado de sofisticación que pueda ser aplicado. Adicionalmente, debe tenerse en cuenta la manipulación y disposición final de los residuos generados (Iberoarsen 2010).

Desde el punto de vista socioeconómico, se debe tomar en cuenta el tipo de localidad al que se va a aplicar la tecnología, su ubicación respecto a centros poblados, ingresos económicos, cantidad de habitantes, incidencia de enfermedades crónicas, falta de agua segura, calidad de vida, pobreza, así como un sinnúmero de factores culturales y políticos juegan roles decisivos en la implementación de nuevas tecnologías.

Actualmente se conocen alrededor de 14 tecnologías para el abatimiento del As, clasificadas como convencionales y emergentes, las cuales tiene eficiencias que van desde el 70 hasta el 99% y en general, son tecnologías que suelen cubrir a centros urbanos. Se procede a explicar sucintamente las tecnologías convencionales y emergentes más importantes, dejando para el Capítulo 3 el desarrollo pormenorizado de la tecnología de Coagulación- Filtración. (Pilar Perrazo, 2012)

1.5.1.Tecnologías Convencionales

Las tecnologías convencionales de remoción o abatimiento de As se basan en procesos químicos básicos aplicados en forma simultánea, secuencial o independiente. Algunas de estas tecnologías son: óxido-reducción, precipitación, coagulación-adsorción, ablandamiento con cal, procesos de membrana e intercambio iónico.

1.5.1.1. Oxido-Reducción

La mayoría de las tecnologías de remoción de As son eficientes cuando el elemento está presente en el estado pentavalente, porque la forma trivalente no está cargada a pH debajo de 9.2. Por ello, deben oxidarse previamente los componentes arsenicales. Sin embargo, debe notarse que la oxidación sin ayuda de otros tratamientos físicos o 35 químicos no remueve el As del agua, por lo que a la óxido-reducción se la usa como un pre tratamiento.

El arsenito puede oxidarse directamente por un número de agentes químicos como el cloro gaseoso, el hipoclorito, el ozono, el permanganato, el peróxido de hidrógeno, los óxidos de manganeso y el reactivo de Fenton (H2O2/Fe2+). El cloro es un oxidante rápido y efectivo, pero puede conducir a reacciones con la materia orgánica, produciendo trihalometanos tóxicos como subproductos. En Europa y en los EE.UU. se usa crecientemente ozono en reemplazo del cloro. El permanganato de potasio (KMnO4) es un oxidante efectivo del arsenito y es un reactivo comúnmente disponible en los países en desarrollo. El agua oxigenada puede ser un oxidante efectivo si el agua contiene altos niveles de hierro disuelto, lo cual ocurre a menudo conjuntamente con la contaminación arsenical; se producen entonces reacciones de tipo Fenton (Iberoarsen, 2010).

La óxido- reducción en general, tiene las siguientes ventajas y desventajas:

 Ventajas: relativamente simple, bajos costos, oxida otras sustancias inorgánicas y constituyentes orgánicos, mata microbios, proceso rápido, mínimos residuos.

 Desventajas: principalmente remueve As (V), eficiente control de pH y del proceso de oxidación, necesita procesos complementarios (Dinesh Mohan y Charles Pittman, 2007).

1.5.1.2. Precipitación

En este método se aprovecha la insolubilidad de ciertos compuestos arsenicales inorgánicos como el sulfuro de As (III), arseniato de calcio y arseniato férrico. La solubilidad de los distintos materiales es muy dependiente de la forma, pH y otras variables.

El tratamiento de precipitación tiene las siguientes ventajas y desventajas:

 Ventajas: relativamente simple, mata microbios, proceso rápido, acelera el proceso de oxidación.

 Desventajas: costo de químicos precipitantes, genera residuos, eficiente control de pH, puede existir removilización del As (Dinesh Mohan y Charles Pittman, 2007).

1.5.1.3. Coagulación - Filtración:

En esta tecnología el material suspendido o en forma coloidal se transforma, resultando en

manera que estos se logren adherir unos con otros. 38 Es el proceso más común para la remoción de As especialmente efectivo para As (V), que se adsorbe sobre los flóculos coagulados y puede removerse por filtración. Esta tecnología será descrita pormenorizadamente en el ítem 1.6

1.5.1.4. Ablandamiento con Cal

Es un proceso que consiste en la transformación de piedra caliza en presencia de agua y ácido carbónico para formar carbonato de calcio; éste compuesto adsorbe entonces el As, y el proceso continúa por coagulación. El método se emplea usualmente para tratar aguas muy duras y presenta alta eficiencia. Las desventajas son un pH muy alto en las aguas resultantes (10-12) y que se requieren dosis muy altas de coagulante. Sin embargo, es difícil que se pueda llevar el As a niveles bajos, particularmente por debajo de 1 mg/L y puede necesitarse un tratamiento secundario. El ablandamiento con cal es más efectivo cuando el pH es alto (>

10,5). Se usa cloro para oxidar arsenito a arseniato (Iberoarsen 2010). El tratamiento por ablandamiento con cal tiene las siguientes ventajas y desventajas:

 Ventajas: los químicos están comercialmente disponibles.

 Desventajas: genera barros tóxicos como residuos (Dinesh Mohan y Charles Pittman Jr, 2007).

1.5.1.5. Adsorción y precipitación.

El As puede ser fuertemente atraído a los sitios de sorción sobre la superficie de varios materiales sólidos y este mecanismo puede emplearse para remover efectivamente As de la solución. Pueden usarse óxidos de aluminio (alúmina activada), óxidos/hidróxidos de hierro (como hidróxidos de hierro granular GFH), dióxido de titanio, óxido de cerio o metales reducidos (Iberoarsen 2010).

A. Remoción de arsénico usando óxidos/hidróxidos acuosos metálicos:

Se ha encontrado una muy buena eficiencia con el empleo de materiales de base de óxido e hidróxido de hierro y se han desarrollado varios productos diferentes, entre ellos el óxido de hierro granular y, especialmente, el hidróxido de hierro granular GFH®, con rendimiento superior a cualquier otro material adsorbente. GFH® es un material sintético de akaganeíta, con punto de carga cero a pH 8,2. La Akaganeíta es un mineral de hidróxido de hierro, cloro y níquel, de fórmula Fe³⁺O (OH, Cl), con estructura de cristal monoclinal, hallado en distintas minas en la Tierra y en rocas traídas de la luna durante el proyecto Apolo.

 Ventajas: retiene fuertemente aniones arseniato (inmovilización), remueve efectivamente las especies As (III), productos químicos comercialmente disponibles.

 Desventajas: el hierro granular requiere una oxidación previa, los óxidos o hidróxidos no se regeneran y por lo tanto se produce un residuo adicional a tratar que consiste en barros con alto contenido de hidróxidos [Fe (H2AsO4)3]. En aguas que contienen sílice, ésta interfiere pues compite por los sitios de adsorción (Iberoarsen, 2010 / Dinesh Mohan y Charles Pittman Jr, 2007).

B. Alúmina Activada

En la práctica industrial la alúmina activada se fabrica calcinando una alúmina hidratada.

Estas alúminas poseen una superficie interna en el rango de 200 a 300 m2 /g, bajos grados de cristalización y grandes volúmenes de poro con una distribución de tamaños de poro definida (Zúñiga, 2009). La alúmina activa típicamente usada en el tratamiento de agua es una mezcla de óxidos de aluminio amorfo y gama (γ-Al2O3), preparada por calcinación de hidróxido de aluminio [Al (OH)3], a temperaturas entre 300 y 600°C. (Rivera M, 1998). La alúmina activada muestra su preferencia por los iones de acuerdo con la siguiente serie de selectividad (Iberoarsen 2010).

OH >> HPO4^-2> HAsO4^-2>F^->SO4^-2>>HCO3^->Cl^->NO3^–

Por ello, las especies de arseniato se pueden tratar muy bien y la disminución significativa de la capacidad de adsorción se atribuye solamente a la presencia de fosfato, ya que la adsorción competitiva de iones sulfato es menos eficiente. Se puede regenerar el material mediante el empleo de soluciones de hidróxido de sodio (NaOH) seguido del lavado con ácido para restablecer la carga superficial positiva. La regeneración es más difícil y menos efectiva comparada con las resinas de intercambio iónico y conduce a la remoción de solamente 50- 80% de las especies de As. Además, puede producirse pérdida de material por disolución de la alúmina activada en medios de alcalinidad alta. La alcalinidad es la medida de la capacidad de una disolución acuosa para mantener su pH estable frente a la adición de un ácido o una base. La tecnología de aplicación es simple y los ciclos de servicio se extienden al tratamiento de varios millares de volúmenes de lechos de agua antes de que sea necesaria la regeneración (Iberoarsen 2010).

 Ventajas: trata muy bien las especies de arseniato, se puede regenerar la alúmina, tecnología de operación relativamente simple y conocida, vida útil larga, los insumos están comercialmente disponibles, presenta alta eficiencia de remoción del As (alrededor de 95%).

 Desventajas: pérdida de alúmina activada por disolución en medios de alta alcalinidad, rango de pH de trabajo relativamente estrecho (pH 5,5 a 6), el dispositivo puede acumular microrganismos, dificultades para lograr un nivel

1.5.1.6. Procesos de membrana.

Este tipo de procesos ofrecen posibilidades excelentes para la remoción de As. La eliminación puede darse por: filtrado de las partículas en suspensión conteniendo As por ejemplo microfiltración (MF), exclusión por el tamaño de los iones hidratados 41 por ejemplo nanofiltración (NF), ultrafiltración (UF) y ósmosis inversa (OI); y repulsión eléctrica por las membranas.

 Microfiltración (MF): este tratamiento usa membranas de filtración con tamaño de poro entre 103 y 104 Å, con una presión de trabajo promedio de 3 bar. Se aplica primariamente a la remoción de partículas (clarificación) y puede utilizarse en lugar de una filtración convencional con arena. Se utiliza para remover As con un tratamiento previo de coagulación.

 Ultrafiltración (UF): este tratamiento se define como una operación de clarificación y desinfección mediante el uso de una membrana. Las membranas empleadas en la UF son porosas, con diámetros de poro entre 30 a 100 Å, y permiten sólo el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas) y de todo tipo de microrganismos como virus y bacterias. Debido a que los solutos de bajo peso molecular no son retenidos por la UF, la contrapresión osmótica puede ser despreciada y la presión de trabajo puede mantenerse baja (1 a 10 bares)

 Nanofiltración (NF): en estos procesos se utiliza membranas semipermeables que permiten el paso de agua y separan ciertos solutos. Las membranas empleadas son porosas con diámetros de poro entre 30 a 100 Å con una presión de trabajo promedio entre 3 y 10 bar. Esta tecnología permite solo el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas) y de todo tipo de microrganismos como virus y bacterias. Con esta tecnología se pueden remover As (III) y As (V), ya que estos compuestos se hallan entre los 0,001 y 0,005 micrones.

 Ventajas: se pueden remover As (III) y As (V), utiliza presiones menores que la ósmosis inversa, alta eficiencia de remoción del As (> al 95%), menores costos de mantenimiento y operación.

 Desventajas: taponamiento de los nanoporos, se debe preacondicionar el agua a tratarse, genera un residuo líquido.

 Osmosis Inversa: es un proceso que reproduce lo que ocurre cotidianamente en los seres vivos a través de sus membranas biológicas. Si se coloca agua pura en un recipiente y en otro compartimiento del mismo se coloca una solución salina, separándolas mediante una membrana semipermeable adecuada se producirá un pasaje espontáneo del agua pura a través de la membrana debido a la diferencia de

potenciales químicos entre ambas soluciones. Este pasaje de agua diluye la solución salina, intentado equilibrar los potenciales químicos de ambas soluciones. Este fenómeno se conoce como ósmosis y la presión generada por el incremento de la columna hidrostática en el compartimiento de la solución concentrada se denomina presión osmótica. Aunque las membranas semipermeables perfectas tienen la característica de permitir que el agua pase por ellas debido a la fuerza creada por la presión osmótica, las mismas constituyen una barrera que impide que las sales disueltas en el segundo compartimiento fluyan a través de las membranas, con el resultado de que el agua pura del otro compartimiento permanece sin contaminarse.

Utilizando membranas semipermeables adecuadas es posible invertir el proceso de osmosis natural. Para que esto ocurra, será necesario aplicar en el compartimiento de la solución concentrada, una presión externa mayor que la presión osmótica natural de esa solución concentrada en sales, de esta forma, se invierte el sentido del flujo a través de la membrana obligando a que el solvente de la solución salina pase al compartimiento de la solución diluida.

 Ventajas: alta eficiencia de remoción del As (> al 95%), muy efectiva si se trata de remover otros compuestos y TDS total, el equipamiento es compacto y automatizado, genera residuos sólidos no tóxicos.

 Desventajas: altos costos de mantenimiento y operación, alta tecnología, genera descargas de concentrado de agua, necesita un pre-tratamiento, problemas al tratar aguas de alta salinidad, se debe tratar altos volúmenes de agua cruda.

Tabla 1.4: Comparación de los parámetros característicos de tecnologías con las membranas

Fuente: D’ Ambrossio, 2005

1.6. COAGULACIÓN – FLOCULACIÓN:

1.6.1.COAGULACIÓN

Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado. En la siguiente figura 1 se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas de la superficie del coloide permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos. La coagulación es el tratamiento más eficaz pero también es el que representa un gasto elevado cuando no está bien realizado. Es igualmente el método universal porque elimina una gran cantidad de sustancias de diversas naturalezas y de peso de materia que son eliminados al menor costo, en comparación con otros métodos. El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificadas. Por lo tanto que se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las unidades de decantación y que es imposible de realizar una clarificación, si la cantidad de coagulante está mal ajustada.

En esta figura se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide, permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos:

Figura 1.1:

Coagulación

Fuente: Yolanda Cárdenas (2000) 1.6.1.1. Mecanismo de Coagulación

La desestabilización se puede obtener por los mecanismos fisicoquímicos siguientes:

 Compresión de la doble capa.

 Adsorción y neutralización de cargas.

 Atrapamiento de partículas en un precipitado.

 Adsorción y puente

A. Compresión de la Doble Capa :

Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan

esto se consigue sólo con los iones del coagulante. (Ver Fig. 2). Existe por otro lado un potencial de atracción o fuerzas de atracción, entre las partículas llamadas fuerzas de Van der Walls, que dependen de los átomos que constituyen las partículas y de la densidad de estos últimos.

Figura 1.2: Coagulación- fuerza de Van der Waals Fuente: Yolanda Cárdenas (2000)

B. Absorción y Neutralización de Cargas

Las partículas coloidales poseen carga negativa en sus superficies, estas cargas llamadas primarias atraen los iones positivos que se encuentran en solución dentro del agua y forman la primera capa adherida al coloide. El potencial en la superficie del plano de cizallamiento es el potencial electrocinético – potencial ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción mutua. Después de la teoría de la doble capa la coagulación es la considerada como la anulación del potencial obtenido por adición de productos de coagulación – floculación, en la que la fuerza natural de mezcla debido al movimiento browniano no es suficiente requiriéndose una energía complementaria necesaria; por ejemplo realizar la agitación mecánica o hidráulica. Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se produce a la reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede

explicar debido a que el exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula, produciendo una carga invertida a la carga original. (Ver Fig. 3.)

Figura 1.3: Reestabilización de partículas Fuente: Yolanda Cárdenas (2000) C. Atrapamiento de Partículas dentro de un Precipitado

Las partículas coloidales desestabilizadas, se pueden atrapar dentro de un floc, cuando se adiciona una cantidad suficiente de coagulantes, habitualmente sales de metales trivalente como el sulfato de aluminio Al2 (SO4)3, o Cloruro Férrico FeCl3, el floc está formado de moléculas de Al (OH (3 o de Fe (OH)3. La presencia de ciertos aniones y de las partículas coloidales acelera la formación del precipitado. Las partículas coloidales juegan el rol de anillo durante la formación del floc; este fenómeno puede tener una relación inversa entre la turbiedad y la cantidad de coagulante requerida. En otras palabras, una concentración importante de partículas en suspensión puede requerir menor cantidad de coagulante.

Figura 1.4: Atrapamiento de las partículas en un Floc Fuente: Yolanda Cárdenas (2000)

D. Adsorción y Puente

En cualquier caso, se obtiene el tratamiento más económico utilizando un polímero aniónico, cuando las partículas están cargadas negativamente. Este fenómeno es explicado por la teoría del “puente”. Las moléculas del polímero muy largas contienen grupos químicos que pueden absorber las partículas coloidales. La molécula de polímero puede así absorber una partícula coloidal en una de sus extremidades, mientras que los otros sitios son libres para absorber otras partículas. Por eso se dice que las moléculas de los polímeros forman el “puente” entre las partículas coloidales. Esto puede tener una restabilización de la suspensión, por una excesiva carga de polímeros.

Figura 1.5: Efecto de puente de las partículas en suspensión Fuente: Yolanda Cárdenas (2000)

1.6.1.2. Coagulantes Utilizados

Los componentes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando. Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc son:

 Sulfato de Aluminio.

 Aluminato de Sodio.

 Cloruro de Aluminio.

 Cloruro Férrico.

 Sulfato Férrico.

 Sulfato Ferroso.

 Polielectrolitos (Como ayudantes de floculación).

Siendo los más utilizados las sales de Aluminio y de Hierro; cuando se adiciona estas sales al agua se producen una serie de reacciones muy complejas donde los productos de hidrólisis

son más eficaces que los iones mismos; estas sales reaccionan con la alcalinidad del agua y producen los hidróxidos de aluminio o hierro que son insolubles y forman los precipitados.

1.6.1.3. Factores que Influyen en la Coagulación.

Es necesario tener en cuenta los siguientes factores con la finalidad de optimizar el proceso de coagulación:

 pH.

 Turbiedad.

 Sales disueltas.

 Temperatura del agua.

 Tipo de coagulante utilizado.

 Condiciones de Mezcla.

 Sistemas de aplicación de los coagulantes.

 Tipos de mezcla y el color.

La interrelación entre cada uno de ellos permiten predecir cuáles son las cantidades de los coagulantes a adicionar al agua.

A. Influencia del pH

El pH es una medida de la actividad del ion hidrógeno en una solución, y es igual a: pH = -log {H+} El pH es la variable más importante a tener en cuenta al momento de la coagulación, para cada agua existe un rango de pH óptimo para la cual la coagulación tiene lugar rápidamente, ello depende de la naturaleza de los iones y de la alcalinidad del agua. El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser utilizado y de la naturaleza del agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del rango de pH óptimo entonces se debe aumentar la cantidad del coagulante; por lo tanto la dosis requerida es alta.

B. Influencia de las Sales Disueltas

Las sales contenidas dentro del agua ejercen las influencias siguientes sobre la coagulación y floculación: - Modificación del rango de pH óptimo. - Modificación del tiempo requerido para la floculación. - Modificación de la cantidad de coagulantes requeridos. - Modificación de la cantidad residual del coagulante dentro del efluente.

C. Influencia de la Temperatura del Agua

La variación de 1°C en la temperatura del agua conduce a la formación de corrientes de densidad (variación de la densidad del agua) de diferentes grados que afectan a la energía cinética de las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace más lenta;

temperaturas muy elevadas desfavorecen igualmente a la coagulación. Una disminución de la temperatura del agua en una unidad de decantación conlleva a un aumento de su viscosidad; esto explica las dificultades de la sedimentación de un floc.

D. Influencia de la Dosis del Coagulante

La cantidad del coagulante a utilizar tiene influencia directa en la eficiencia de la coagulación, así:

 Poca cantidad del coagulante, no neutraliza totalmente la carga de la partícula, la formación de los microflóculos es muy escaso, por lo tanto la turbiedad residual es elevada.

 Alta cantidad de coagulante produce la inversión de la carga de la partícula, conduce a la formación de gran cantidad de microflóculos con tamaños muy pequeños cuyas velocidades de sedimentación muy bajas, por lo tanto la turbiedad residual es igualmente elevada.

 La selección del coagulante y la cantidad óptima de aplicación; se determina mediante los ensayos de pruebas de jarra.

E. Influencia de Mezcla

El grado de agitación que se da a la masa de agua durante la adición del coagulante, determina si la coagulación es completa; turbulencias desiguales hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada; la agitación debe ser uniforme e intensa en toda la masa de agua, para asegurar que la mezcla entre el agua y el coagulante haya sido bien hecho y que se haya producido la reacción química de neutralización de cargas correspondiente.

En el transcurso de la coagulación y floculación, se procede a la mezcla de productos químicos en dos etapas. En la primera etapa, la mezcla es enérgica y de corta duración (60 segundos como maximo) llamado mezcla rápida; esta mezcla tiene por objeto dispersar la totalidad del coagulante dentro del volumen del agua a tratar, y en la segunda etapa la mezcla es lenta y tiene por objeto desarrollar los microflóculos.

La mezcla rápida se efectúa para la inyección de productos químicos dentro de la zona de fuerte turbulencia, una inadecuada mezcla rápida conlleva a un incremento de productos químicos.

1.6.2.FLOCULACIÓN:

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar

Figura 1.6: Formación de floculos Fuente: Yolanda Cárdenas (2000)

Suceden que los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no sean lo que suficientemente grande como para sedimentar con rapidez deseada, por lo que el empleo de un floculante es necesario para reunir en forma de red, formando puentes de una superficie a otra enlazando las partículas individuales en aglomerados, tal como se está mostrando en la Figura 6.

La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco los flóculos;

un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. La floculación no solo incrementa el tamaño de las partículas del flóculo, sino que también aumenta su peso. La floculación puede ser mejorada por la adición de un reactivo de floculación o ayudante de floculación.

1.6.2.1. Tipos de Floculación.

Hay 2 tipos de floculación:

A. Floculación Pericinética:

Producido por el movimiento natural de las moléculas del agua y esta inducida por la energía térmica, este movimiento es conocido como el movimiento browniano.

B. Floculación Ortocinética

Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico. Después que el agua es coagulada es necesario que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación pericinética luego se produce la floculación ortocinética.

1.6.2.2. Parámetros de la Floculación

Los parámetros que se caracterizan la floculación son los siguientes:

 Floculación Ortocinética (Se da por el grado de agitación proporcionada:

Mecánica o Hidráulica).

 Gradiente de Velocidad (energía necesaria para producir la mezcla).

 Número de colisiones (choque entre microflóculos).

 Tiempo de retención (tiempo que permanece el agua en la unidad de floculación).

 Densidad y tamaño de floc.

 Volumen de lodos (los flóculos formados no deben sedimentar en las unidades de floculación).

1.6.2.3. Floculantes

Los floculantes son polímeros o polielectrolitos con pesos moleculares muy elevados moléculas orgánicas solubles en agua formadas por bloques denominados monómeros, repetidos en cadenas larga. Estos floculantes pueden ser de naturaleza: mineral, orgánico natural y orgánico de síntesis.

A. Floculantes Minerales:

Se encuentra la sílice activada, que es el primer floculante empleado, que debe ser preparado antes de emplear, su preparación es tan delicada y presenta el riesgo de la gelatinización; produce la neutralización parcial de la alcalinidad de silicato de sodio en solución. (Caso Atarjea en los años 70 – 80, se utilizó en el tratamiento de agua).

B. Floculantes Orgánicos Naturales:

Son polímeros naturales extraídos de sustancias animales o vegetales

Los alginatos, cuya estructura polimérica son:

 Los ácidos manuránicos

 Los ácidos glucónico.

C. Floculantes Orgánicos de Síntesis.

Son los más utilizados y son macromoléculas de una gran cadena, obtenidos por asociación de monómeros sintéticos con masa molecular elevada de 106 a 107 gr.

/mol, estos se clasifican de acuerdo a la ionicidad de los polímeros:

 Aniónicos (generalmente copolímeros de la acrilamida y del ácido acrílico).

 Neutros o no ionicos (poliacrilamidas).

 Catiónicos (copolímero de acrilamidas + un monómero catiónico).

1.7. PRUEBA DE JARRAS:

1.7.1.Antecedentes:

En el laboratorio, uno de los equipos más usados en el tratamiento de las aguas como elemento de control de la coagulación es el equipo de prueba de jarras. G. W. Fuller, J. Cairol y E. Theirault son precursores de la prueba de jarras como modelo predictivo De acuerdo con la información obtenida, probablemente el primer ensayo de prueba de jarras fue realizado por W. L. Langelier en la Universidad de California en 1918. Las primeras aplicaciones y el desarrollo inicial corresponden a John Baylis, Bartow y Petterson, Fleming, Nolte y Kromer.

Figura 1.7: Equipo Antiguo de Prueba de Jarras Fuente: Lidia de Vargas

Aportes tecnológicos posteriores fueron realizados por Tolman, Niekel, Gekershausen, Langelier–Ludwig, Cross et al., C. Henry, Smith, Straub, Elliassen, Norcon, Cox y otros, que

jarras hacia la determinación y optimización de las variables químicas del proceso de coagulación.

1.7.2.Descripción del equipo de prueba de jarras

Para efectuar los ensayos de simulación de procesos, existen algunas variaciones en el equipo tradicional, que son descritas en la literatura. Aunque no es un requisito indispensable, estas pruebas, en la mayor parte de los casos, son realizadas en equipos comerciales y uno de los más conocidos es el equipo de velocidad variable fabricado por la Phipps & Bird, para el cual se han desarrollado los ábacos que relacionan el gradiente de velocidad con la velocidad de rotación de las paletas.

Figura 1.8: Equipo de Prueba de Jarras Fuente: Lidia de Vargas

Normalmente estos equipos constan de los siguientes elementos:

 Un agitador mecánico provisto con tres a seis paletas, capaz de operar a velocidades variables (de 0 a 100 revoluciones por minuto; actualmente pueden obtenerse equipos que operan con velocidades de hasta 400 revoluciones por minuto).

 Un iluminador de flóculos localizado en la base del agitador del equipo.

 Vasos de precipitado de 2 litros de capacidad, de cristal refractario, tal como se presentan en la figura 1.9.