Diseño de un sistema de tratamiento para la recuperación de aguas en una textilera

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(1)IQ-2004-I-09. DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO PARA LA RECUPERACIÓN DE AGUAS EN UNA TEXTILERA. LORENA DONADO ZUÑIGA. Proyecto de Grado. Asesorado por: FELIPE MUÑOZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA 2004.

(2) IQ-2004-I-09. 1 2. INTRODUCCION......................................................................................................................................... 5 OBJETIVOS ................................................................................................................................................. 6 2.1 2.2. 3. OBJETIVOS GENERALES..................................................................................................................... 6 OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................................................... 6. FUNDAMENTO TEORICO DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA......................................... 7 3.1 CONTAMINANTES DEL AGUA ........................................................................................................... 7 3.1.1 pH ................................................................................................................................................... 7 3.1.2 Sólidos disueltos totales.................................................................................................................... 7 3.1.3 Dureza total ..................................................................................................................................... 7 3.1.4 Alcalinidad ...................................................................................................................................... 7 3.1.5 Cloruros .......................................................................................................................................... 8 3.1.6 Cloro libre ....................................................................................................................................... 8 3.1.7 Sílice................................................................................................................................................ 8 3.1.8 Hierro y Manganeso......................................................................................................................... 8 3.1.9 Cobre .............................................................................................................................................. 8 3.1.10 Aluminio .......................................................................................................................................... 9 3.1.11 Sulfato ............................................................................................................................................. 9 3.1.12 Color ............................................................................................................................................... 9 3.1.13 Turbidez........................................................................................................................................... 9 3.1.14 Olor y sabor................................................................................................................................... 10 3.1.15 Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO)........................................................................................ 10 3.1.16 Demanda Química de Oxigeno (DQO)............................................................................................ 10 3.1.17 Carbón Orgánico Total (TOC) ....................................................................................................... 10 3.2 CLARIFICACIÓN ................................................................................................................................ 10 3.2.1 Tipos de coagulantes y floculantes.................................................................................................. 12 3.2.1.1 Coagulantes inorgánicos ......................................................................................................... 12 3.2.1.2 Polielectrolitos........................................................................................................................ 15 3.2.1.2.1 Polielectrolitos coagulantes primarios................................................................................... 15 3.2.1.2.2 Ayudantes de coagulación o floculantes ............................................................................... 16 3.2.1.3 Silica activada ........................................................................................................................ 16 3.2.1.4 Arcilla .................................................................................................................................... 17 3.2.2 Equipos de clarificación................................................................................................................. 17 3.2.2.1 Clarificadores convencionales ................................................................................................. 17 3.2.2.1.1 Alimentación central............................................................................................................ 17 3.2.2.1.2 Rectangular ......................................................................................................................... 18 3.2.2.1.3 Alimentación periférica........................................................................................................ 18 3.2.2.2 Clarificadores de contacto de sólidos....................................................................................... 19 3.2.2.2.1 Clarificador con manto de suspensión hidráulica................................................................... 19 3.2.2.2.2 Clarificador con manto de suspensión mecánica.................................................................... 20 3.2.2.2.2.1 Pulsantes o de vacío ...................................................................................................... 20 3.2.2.2.2.2 De separación dinámica................................................................................................. 20 3.2.2.2.2.3 De agitación simple....................................................................................................... 21 3.2.2.3 Clarificador de plano inclinado................................................................................................ 21 3.2.3 Pruebas de coagulación ................................................................................................................. 21 3.2.3.1 Potencial Zeta......................................................................................................................... 22 3.2.3.2 Prueba de jarras ...................................................................................................................... 22 3.3 FILTRACIÓN ....................................................................................................................................... 22 3.3.1 Filtración sobre soporte ................................................................................................................. 22 3.3.1.1 Filtración sobre soporte de mallas............................................................................................ 23 3.3.1.2 Filtración sobre soporte grueso................................................................................................ 23 3.3.1.3 Filtración sobre soportes con precapa ...................................................................................... 23 3.3.2 Filtración sobre lecho filtrante ....................................................................................................... 23 3.3.2.1 Tipos de medio poroso............................................................................................................ 24 3.3.2.2 Tipos de filtros ....................................................................................................................... 25 3.3.2.2.1 Filtros de gravedad .............................................................................................................. 25 3.3.2.2.2 Filtros de presión................................................................................................................. 25 3.3.2.3 Tipo de filtración .................................................................................................................... 26 3.3.2.3.1 Filtración lenta .................................................................................................................... 26. 2.

(3) IQ-2004-I-09. 3.3.2.3.2 Filtración rápida .................................................................................................................. 26 3.3.2.3.2.1 Filtración directa........................................................................................................... 27 3.3.2.3.2.2 Filtración con coagulación sobre filtro ........................................................................... 27 3.3.2.3.2.3 Filtración de agua coagulada y sedimentada................................................................... 27 3.4 OSMOSIS INVERSA ............................................................................................................................ 27 3.5 INTERCAMBIO IONICO ..................................................................................................................... 32 3.5.1 Clasificación de las resinas de intercambio iónico .......................................................................... 33 3.5.1.1 Resinas de catión fuerte .......................................................................................................... 33 3.5.1.2 Resinas de catión débil............................................................................................................ 33 3.5.1.3 Resinas de anión fuerte ........................................................................................................... 33 3.5.1.4 Resinas de anión débil............................................................................................................. 33 3.6 NEUTRALIZACIÓN ............................................................................................................................ 34 3.7 CLORINACION.................................................................................................................................... 35 3.8 AERACION.......................................................................................................................................... 35 3.9 DIGESTIÓN BIOLÓGICA .................................................................................................................... 36 3.10 OXIDO-REDUCCION ...................................................................................................................... 37 3.11 DEGASIFICACION .......................................................................................................................... 37 3.12 INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓN................................................................................................... 38 4 GENERALIDADES SOBRE LA INDUSTRIA TEXTIL Y EL IMPACTO QUE TIENE SOBRE EL MEDIO AMBIENTE.......................................................................................................................................... 39 4.1 4.2 4.3 5. METODOLOGÍA ....................................................................................................................................... 44 5.1 5.2 5.3. 6. PRETRATAMIENTO .................................................................................................................................. 40 TEÑIDO E IMPRESIÓN ............................................................................................................................... 41 ACABADO .............................................................................................................................................. 42. TOMA DE MUESTRAS ............................................................................................................................... 44 ANÁLISIS DE MUESTRAS........................................................................................................................... 45 SELECCIÓN DEL TRATAMIENTO ................................................................................................................. 45. DISEÑO DEL EXPERIMENTO................................................................................................................. 49 6.1 CLARIFICACIÓN ...................................................................................................................................... 49 6.1.1 Equipos.......................................................................................................................................... 49 6.1.2 Materiales...................................................................................................................................... 49 6.1.3 Reactivos ....................................................................................................................................... 49 6.1.3.1 Coagulantes............................................................................................................................ 49 6.1.3.2 Floculantes ............................................................................................................................. 50 6.1.4 Parámetros que deben ser controlados en la prueba de jarras ......................................................... 50 6.1.5 Procedimiento................................................................................................................................ 51 6.1.5.1 Determinación del volumen óptimo de cada coagulante (Etapa 1)............................................. 51 6.1.5.2 Determinación de la mejor combinación coagulante-floculante (Etapa 2).................................. 52 6.1.5.3 Determinación del tiempo de coagulación................................................................................ 53 6.1.5.4 Determinación del tiempo de floculación................................................................................. 54 6.1.5.5 Determinación del tiempo de sedimentación ............................................................................ 54 6.1.6 Realización de la prueba con los parámetros escogidos................................................................... 55 6.2 FILTRACIÓN............................................................................................................................................ 55 6.2.1 Filtro de arena............................................................................................................................... 57 6.2.2 Filtro de carbón activado ............................................................................................................... 58 6.3 OSMOSIS I NVERSA .................................................................................................................................. 59. 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES ....................................................................................................... 61 7.1 CLARIFICACIÓN ...................................................................................................................................... 61 7.1.1 Determinación del volumen óptimo de cada coagulante................................................................... 62 7.1.2 Determinación de la mejor combinación coagulante-floculante ....................................................... 72 7.1.3 Determinación del tiempo de coagulación, floculación y sedimentación........................................... 79 7.2 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS DEL AGUA ................................................................................................. 83. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS ...................................................................................................................... 85 8.1 8.2. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA ................................................................................... 86 CLARIFICADOR ....................................................................................................................................... 87. 3.

(4) IQ-2004-I-09. 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 9. FILTRO DE ARENA ................................................................................................................................... 89 FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO ................................................................................................................. 89 OSMOSIS I NVERSA .................................................................................................................................. 90 TANQUE NEUTRALIZADOR........................................................................................................................ 91 TANQUE INTERMEDIO .............................................................................................................................. 91 BOMBAS Y TUBERÍAS .............................................................................................................................. 92 TANQUES AUXILIARES ............................................................................................................................. 92 C ONTROL ........................................................................................................................................... 93. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA PLANTA ............................................................................................. 95 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5. COSTOS ACTUALES EN CONSUMO DE AGUA DE LA TEXTILERA ...................................................................... 95 COSTOS DE INVERSIÓN DEL PROYECTO ...................................................................................................... 96 COSTOS DE FINANCIACIÓN ....................................................................................................................... 96 COSTOS DE OPERACIÓN............................................................................................................................ 96 AHORROS ............................................................................................................................................... 97. 10. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA............................................................................................................... 99. 11. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 102. 12. ANEXO A.............................................................................................................................................. 104. 13. ANEXO B .............................................................................................................................................. 115. 14. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................... 120. 4.

(5) IQ-2004-I-09. 1 INTRODUCCION La industria textil necesita dentro de sus diversos procesos, el uso de una gran cantidad de agua de alimentación, la cual es transformada y queda en condiciones no aptas para ser reutilizada en la planta. Esto implica un alto costo al medio ambiente al usar recursos no renovables que deben ser desechados, y un gran costo de operación en la planta debido al alto precio de acueducto y alcantarillado que deben pagar las industrias por el consumo de agua. De este problema, nace la inquietud de evaluar la posibilidad de reprocesar este residuo y usarlo como agua de alimentación a la planta, disminuyendo considerablemente el consumo de agua del acueducto y de fuentes subterráneas. El fin de este proyecto de grado es diseñar un sistema de tratamiento de aguas residuales de una industria textilera, con el fin de procesar la corriente residual de la planta y mejorar sus condiciones, reduciendo las concentraciones de los contaminantes pertinentes para que una vez procesada, cumpla con las especificaciones recomendadas internacionalmente para aguas de alimentación de la industria textil. Estos parámetros incluyen turbiedad, color, concentración de sólidos totales disueltos y pH entre otros. La metodología de este proyecto se basa en toma de muestras del agua residual, con el fin de analizarla y compararla con los parámetros recomendados en la industria textil para el agua de alimentación, seguido de un diseño preeliminar del tratamiento, pruebas a nivel de laboratorio para evaluar la eficiencia de las operaciones seleccionadas, el dimensionamiento y diseño de los equipos y por último la evaluación del impacto económico que tiene este proceso. Este proyecto es promovido por PROQUIL LTDA, empresa de comercialización de productos y servicios para tratamiento de aguas, interesada en estudiar la viabilidad económica del proyecto, con el fin de ofrecer este servicio a las textileras que actualmente se encuentren desechando su agua residual.. 5.

(6) IQ-2004-I-09. 2 OBJETIVOS 2.1. OBJETIVOS GENERALES. Diseñar un sistema de tratamiento de agua que transforme el agua de desecho de producción en la industria textilera en agua útil para ser reutilizada en dicho proceso, y evaluar el impacto económico que tiene este proceso. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS . Investigar acerca de las diferentes operaciones unitarias de las que se puede componer una planta de tratamiento de aguas industriales para así tener criterios de selección en el diseño, sabiendo los contaminantes que se quieren remover, con el fin de que el agua residual pueda servir como agua de alimentación a la planta.. . Comparar el agua residual de la planta textilera con los criterios aconsejados internacionalmente para el agua de alimentación de procesos textiles y a partir de esto plantear un posible tratamiento.. . Llevar a cabo una prueba a nivel de laboratorio del tratamiento seleccionado y evaluar etapa por etapa el cambio de la concentración de los contaminantes del agua en comparación con los criterios internacionales.. . A partir de los valores de la corriente de residuos del proceso textil, calcular el balance de masa para el proceso de tratamiento de agua escogido y, a partir de este, dimensionar los equipos y definir sus especificaciones de diseño y operación más importantes.. . Revisar el impacto ambiental que puede tener el proceso de tratamiento con base en los desechos actuales de la planta.. . Realizar una análisis de viabilidad económica para ver los efectos que tiene en la organización.. 6.

(7) IQ-2004-I-09. 3 FUNDAMENTO TEORICO DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA 3.1 CONTAMINANTES DEL AGUA Es importante conocer cuales son los principales parámetros que pueden afectar la calidad de las aguas industriales y superficiales. A continuación se presentan algunos de estos y las razones por las cuales debe evitarse su presencia en el agua. 3.1.1 pH El pH es una medida de la concentración de ácido o base en una solución que incrementa debido a los álcalis y disminuye debido a los ácidos. Es el factor mas importante en el tratamiento de aguas industriales ya que si el agua presenta un pH bajo puede corroer el equipo con el que está en contacto y si el agua presenta un pH alto puede ocurrir una precipitación del carbonato de calcio lo que ocasionaría la formación de escamas en las tuberías y en algunos equipos. 3.1.2 Sólidos disueltos totales La conductancia es una medida de la habilidad del agua de conducir una corriente eléctrica, entre mas alta sea la resistencia eléctrica menor es su conductancia. El agua pura tiene una resistencia eléctrica alta lo que significa que tiene una conductancia baja, en cambio, cuando el agua tiene presencia de iones aumenta su conductividad. Esta es una prueba importante que se le debe realizar al agua con el fin de medir los sólidos disueltos en el agua ya se puede conocer la concentración de ellos midiendo la conductividad del agua. Altos niveles de sólidos disueltos en el agua puede ocasionar problemas de corrosión. 3.1.3 Dureza total La dureza se debe a la presencia de calcio y magnesio principalmente, pero también a la presencia de aluminio, hierro, manganeso, estroncio, zinc y de iones hidrógeno. Debido a que el calcio y magnesio se encuentran en una cantidad significante respecto a los demás metales, la dureza es representada como la concentración total de iones de calcio y magnesio expresado como carbonato de calcio (CaCO3). En la industria, la dureza es la principal causa de la formación de escamas en los equipos. 3.1.4 Alcalinidad La alcalinidad se debe a la presencia de bicarbonato, carbonato o iones hidróxido. La alcalinidad puede ser expresada como alcalinidad M, alcalinidad P o alcalinidad OH. La alcalinidad M se refiere al punto de cambio de color del agua durante una titulación utilizando como indicador metil naranja cuando este punto de cambio ocurre en un pH de 4.3. La alcalinidad P se refiere a una titulación utilizando fenolftaleina que tiene el punto de cambio de color en un pH. 7.

(8) IQ-2004-I-09. de 8.3. La alcalinidad hidróxido se realiza añadiendo cloruro de bario antes de la titulación con el fin de precipitar el ion carbonato permitiendo de esta forma que la titulación directa de la alcalinidad OH. 3.1.5 Cloruros En el agua pueden encontrarse cloruros de calcio, magnesio, sodio, hierro y otros cationes que tienen una solubilidad muy alta en el agua y por lo tanto no pueden precipitarse. La eliminación de cloruros del agua puede realizarse por medio de un proceso químico como el intercambio aniónico o por un proceso físico como la evaporación o la osmosis inversa. La recomendación dada en agua para consumo es de máximo 250 mg/L. 3.1.6 Cloro libre El cloro libre está definido como la cantidad de cloro que reacciona química y biológicamente en forma de ácido hipocloroso. En esta forma, el cloro tiene el mayor efecto bactericida y oxidante. Es importante evitar la presencia de cloro libre en el agua cuando se trabaja con equipos de osmosis inversa ya que este puede causarle daños a las membranas. 3.1.7 Sílice La sílice (SiO2) esta presente en la mayoría de las rocas y por lo tanto es común su presencia en el agua de pozo y aguas superficiales ya que durante su contacto, cierta parte de la sílice puede disolverse en el agua. La sílice en el agua toma diferentes formas y existe como iones, los cuales pueden aglomerarse formando partículas de mayor tamaño que dejan de ser iones y forman partículas coloidales que permanecen en suspensión. Sin embargo, cuando la concentración de sílice es muy alta, alrededor de 50 mg/L o mas, puede ocurrir una precipitación de este en el agua. La sílice puede ser eliminada por medio de coagulación o desmineralización. 3.1.8 Hierro y Manganeso La presencia de hierro y manganeso se encuentra en pequeña cantidad en aguas superficiales pero puede estar en grandes cantidades en agua de pozo. El hierro presente en el agua puede estar presente en su forma ferrosa o férrica, que al precipitarse puede causar la formación de escamas en los equipos o problemas de corrosión. 3.1.9 Cobre En la mayoría de los casos el cobre presente en el agua es un producto de la corrosión de las tuberías de aleaciones de cobre. Debe evitarse la presencia de este metal en el agua ya que puede corroer el aluminio. En agua para consumo humano la concentración máxima de cobre permitida es de 1 mg/L.. 8.

(9) IQ-2004-I-09. 3.1.10 Aluminio El aluminio es uno de los metales más abundantes en la corteza terrestre. El contacto del agua con la tierra causa que el agua lleve en ella a este metal pero en concentraciones muy bajas. El agua proveniente del acueducto también contiene una concentración muy baja de este metal. El control de la presencia de aluminio se realiza mucho cuando se utiliza clarificación en el tratamiento del agua ya que muchas veces durante este procesos se utilizan coagulantes a base de sulfato de aluminio que aumentan la concentración de este en el agua. 3.1.11 Sulfato El problema que se puede encontrar cuando el agua tiene cierto contenido de sulfato, es la formación de escamas debido al sulfato de calcio. Esto puede ocurrir cuando las concentraciones de sulfato y de calcio son altas. Principalmente se puede ver esto en procesos de calderas, sistemas de enfriamiento e intercambiadores iónicos. La concentración máxima que debe tener el agua potable es de aproximadamente 250 mg/L. 3.1.12 Color El color es definido como la coloración que tiene el agua después de que la turbiedad ha sido removida y se debe al contenido de materias orgánicas coloidales en solución o en suspensión. Se debe a la presencia de iones metálicos como hierro y manganeso, maleza, plankton o se encuentra en aguas industriales. Se consigue la eliminación de color por medio de la coagulación, por adsorción con carbón activo o por oxidación. La presencia de color en el agua puede causar varios problemas como mal sabor, incremento del crecimiento de bacterias y algas, ensuciamiento de las resinas de intercambio aniónico, interferencia con la coagulación y la estabilización de hierro y manganeso soluble. Los métodos utilizados para el análisis del color son el método colorimétrico que es aplicable para la mayoría de las muestras de agua y el método espectrofotométrico. 3.1.13 Turbidez La turbiedad se debe a la presencia de materia suspendida la cual ocasiona la perdida de claridad del agua. Puede ser causada por la presencia de arcilla, materia orgánica o inorgánica finamente dividida, carbonato de calcio, sílice, hidróxido férrico, azufre, aceites, grasas, plankton y organismos microscópicos en el agua, y puede ser eliminada por filtración o coagulación. La turbiedad es una medida de la transmisión relativa de luz a través de una muestra. La luz que no se transmite puede ser obstruida o reflejada por las partículas de la muestra. La turbiedad no puede ser confundida con color ya que un agua puede tener un color fuerte pero ser clara y no turbia. La turbidez puede ser expresada en FTU (Formazin Turbidity Unit), en NTU (Nephelometer Turbidity Unit) o en JTU(Jackson Turbidity Units).. 9.

(10) IQ-2004-I-09. 3.1.14 Olor y sabor Los malos olores y sabores se deben a la presencia de secreciones de organismos vivos como las algas y los hongos, o también debido al contenido de compuestos químicos como los sulfuros y los fenoles que con el cloro forman compuestos de olor desagradable. El olor y el sabor puede eliminarse por cloración, tratamiento con carbón activado, con peroxido de cloro y ozono. 3.1.15 Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) Esta prueba consiste en introducir en una incubadora una muestra de agua con presencia de materia orgánica saturada con oxígeno, bacterias aeróbicas y nutrientes. La muestra es incubada a 20°C por 5 días (DBO5) y para mayor información también se incuba otra muestra de agua por 20 días (DBO20). Entre estos dos términos existe una relación, por lo tanto, cuando se conoce la DBO5, se puede calcular fácilmente la DBO 20. Al final de este periodo se mide el contenido de oxígeno y este valor esta íntimamente relacionado con la respiración de la bacteria y la reducción de materia orgánica. 3.1.16 Demanda Química de Oxigeno (DQO) Además de la demanda de oxígeno debido a la oxidación bacteriana DBO5, la carga contaminante de las aguas residuales también puede expresarse mediante la DQO (demanda química de oxígeno). Esta representa el oxigeno requerido para la oxidación química de los constituyentes orgánicos e inorgánicos. Como agente oxidante se utiliza dicromato de potasio (K2Cr2O7) ó permanganato de potasio (KMnO4). El dicromato de potasio es el agente oxidante más fuerte y da como resultado una mayor demanda de oxígeno para un mismo contenido de materia orgánica. 3.1.17 Carbón Orgánico Total (TOC) El COT (carbono orgánico total) es una cantidad analíticamente exacta. Se determina mediante la oxidación térmica de sustancias orgánicas, a través de la combustión a elevada temperatura y la posterior medición de la cantidad de CO2 formado. El contenido de este representa muy poco porcentaje de la contaminación de aguas residuales. 3.2 CLARIFICACIÓN La clarificación es un proceso físico mecánico en el cual las partículas suspendidas presentes en el agua se aglutinan formando flóculos que tienen un peso específico mayor al del agua y por lo tanto pueden sedimentarse. Por medio de este proceso se logra la remoción de: Turbiedad orgánica e inorgánica. Color Bacterias, virus, y algunos organismos patógenos. Algas y plankton Sustancias productoras de sabor y olor.. 10.

(11) IQ-2004-I-09. En la Tabla 1 se presenta una comparación entre el agua cruda y el agua clarificada en cuanto a su contenido de turbiedad y de sólidos suspendidos la cual muestra la eficiencia del proceso. Tabla 11. Desempeño Estándar de la clarificación Parámetro Agua cruda Turbiedad (NTU) 5 - 200 Sólidos suspendidos (mg/L) 2 - 100. Agua tratada 2–5 1-3. Las partículas suspendidas en el agua pueden ser sólidos que se sedimentan y sólidos que no se sedimentan fácilmente, y una gran parte de estas partículas que no se sedimentan son coloides. Los coloides están clasificados como hidrofílicos e hidrofóbicos. Los coloides hidrofóbicos como la arcilla no reaccionan con el agua, en cambio, los coloides hidrofílicos como los orgánicos causantes del color si reaccionan con el agua, esto puede causar que los coloides reaccionen con los coagulantes usados durante el tratamiento y por esto, los coloides hidrofílicos requieren del uso de mas coagulante que los hidrofóbicos. Cada una de las partículas que se encuentran suspendidas en la superficie del agua están estabilizadas por una carga negativa que ocasiona que las partículas se repelan entre si, esto impide que las partículas choquen y puedan formar grandes masas llamadas flóculos y por lo tanto que puedan sedimentarse. Con el fin de lograr la sedimentación de estas partículas se utiliza el proceso de clarificación que consta de 3 etapas: coagulación, floculación y sedimentación. Coagulación: La coagulación es el proceso de neutralización de cargas en el que los coloides se desestabilizan y dejan de repelerse unos a otros, para esto se utilizan coagulantes químicos como sales de aluminio, sales de hierro; o polielectrolitos y se lleva a cabo acompañado de agitación intensa para que el coagulante se distribuya uniformemente a través del agua y las colisiones entre las partículas ocurra de forma mas rápida. Floculación: Durante la floculación, las partículas coaguladas se unen formando una gran aglomeración llamada flóculo. La floculación se promueve utilizando una agitación moderada la cual causa que los flóculos se unan entre sí, incrementando su tamaño y que se asienten mas rápidamente. La coagulación y la floculación son influenciadas por varios factores como la agitación, tiempo, cantidad de sólidos en el sistema, gradiente de velocidad y temperatura. 1. Información suministrada por Miguel Licero de PROQUIL LTDA... 11.

(12) IQ-2004-I-09. Sedimentación: La sedimentación es el proceso mediante el cual se eliminan del agua las partículas coaguladas y floculadas mediante el asentamiento de estas. Esta etapa en ocasiones se utiliza como un proceso separado en el que se dejan sedimentar las partículas sin la ayuda de químicos. En la Tabla 2 se muestran los tiempos requeridos para sedimentar diferentes tipos de partículas en aguas quietas sin realizar tratamiento de coagulación y floculación. Tabla 22. Velocidad relativa de asentamiento en aguas quietas Diámetro de partícula Partícula Tiempo requerido para (mm) sedimentar 1 ft 10 Grava 0.3 segundos 1 Arena gruesa 3 segundos 0.1 Arena fina 38 segundos 0.01 Sedimento 33 minutos 0.001 Bacteria 35 horas 0.0001 Partículas de arcilla 230 días 0.00001 Partículas coloidales 63 años 3.2.1 Tipos de coagulantes y floculantes Los químicos usados en el tratamiento de agua son los coagulantes inorgánicos como el sulfato de aluminio, el cloruro de polialuminio y el sulfato férrico y los polielectrolitos como los coagulantes poliméricos primarios y los coagulantes de ayuda. 3.2.1.1 Coagulantes inorgánicos Durante años, los coagulantes inorgánicos han sido los coagulantes de uso más común para la clarificación del agua. Pueden ser usados como coagulantes o como floculantes. Cuando son añadidos al agua forman especies cargadas positivamente en el pH típico de la clarificación que es en el rango de 6-7. Todos los coagulantes de hierro y aluminio son sales ácidas que bajan el pH del agua tratada exceptuando el aluminato de sodio. Las principales propiedades de estos coagulantes y sus reacciones químicas con el agua para formar los flóculos hidróxidos son: Sulfato de aluminio: Crea grandes volúmenes de lodo de difícil deshidratación. El alumbre líquido de bajo pH es corrosivo. Optimo pH 6.5 a 7 pero puede funcionar de 5.5 a 8. Requiere alcalinidad natural o añadida para producir el precipitado de hidróxido de aluminio. 2. Ibid MIGUEL LICERO. 12.

(13) IQ-2004-I-09. . Es el coagulante mas comúnmente usado. Excelentes resultados cuando es usado para la reducción del color y la turbiedad. Tiene un bajo costo.. Reacciones del sulfato de aluminio: Al2(SO4)3 +. 3Ca(HCO3)2. 2Al(OH)3. Sulfato de aluminio. Bicarbonato de calcio. Hidróxido de aluminio. Al2(SO4)3 +. 3Na2CO3 +. 3H2O. 2Al(OH)3 +. 3Na2SO4 +. Sulfato de aluminio. Carbonato de sodio. Agua. Hidróxido de aluminio. Sulfato de sodioDióxido de carbono. Al2(SO4)3 +. 3Ca(OH)2. 2Al(OH)3 +. 3CaSO4. Sulfato de aluminio. Hidróxido de calcio. Hidróxido de aluminio. Sulfato de calcio. +. 3CaSO4. +. Sulfato de calcio. 6CO2 Dióxido de carbono 3CO2. Cloruro de polialuminio: Mayor carga de coagulante por peso que el alumbre. El consumo de alcalinidad es menor que el alumbre. Produce menor volumen de lodo. Puede ser menos costoso que el alumbre. Aluminato de sodio (NaAlO2): Tiene carácter alcalino en sus reacciones a diferencia de los demás coagulantes inorgánicos. Cuando se usa para la coagulación de aguas turbias o de color, usualmente se usa junto con sulfato de aluminio. Reacciona con el CO2 libre. Es muy soluble en agua. Reacciones del aluminato de sodio: 6NaAlO2. +. Aluminato de sodio. Al2(SO4)3 +. 24H2O. 8Al(OH)3 +. 3Na2SO4. Sulfato de aluminio. Agua. Hidróxido de aluminio. Sulfato de sodio. 13.

(14) IQ-2004-I-09. 2NaAlO2. +. Aluminato de sodio. CO2. +. 3H2O. 2Al(OH)3 +. Na2CO3. Dióxido de carbono. Agua. Hidróxido de aluminio. Carbonato de sodio. Cloruro férrico: Debe ser utilizado en solución del 2 al 20%. Trabaja en un rango de pH de 4 a 11 pero lo adecuado es en agua ácida, blanda, fuertemente coloreada y con contenido de ácido sulfhídrico. Los lodos formados después de la coagulación son muy corrosivos, son color café oscuro y pueden manchar los objetos que entren en contacto con el agua, por esto, son difíciles de manejar. Sulfato férrico: Superior al alumbre en agua altamente turbias y en ablandamientos. Forma flóculos más densos y mas rápidos de asentar. Mas corrosivo al acero y bronce que el alumbre. Puede atacar aleaciones inoxidables. Efectivo en un rango de pH de 4 a 11 aunque es mas efectivo en aguas ácidas. A niveles altos de pH puede remover el color efectivamente con la oxidación y precipitación de hierro y manganeso Reacciones del sulfato férrico: Fe2(SO4)3 +. 3Ca(HCO3)2. 2Fe(OH)3 +. 3CaSO4. +. 6CO2. Sulfato férrico. Bicarbonato de calcio. Hidróxido férrico. Sulfato de calcio. Fe2(SO4)3 +. 6NaHCO3. 2Fe(OH)3 +. 3Na2SO4 +. 3CO2. Sulfato férrico. Bicarbonato de sodio. Hidróxido férrico. Sulfato de sodio. Dióxido de carbono. Fe2(SO4)3 +. 3Ca(OH)2. 2Fe(OH)3 +. 3CaSO4. Sulfato férrico. Hidróxido de calcio. Hidróxido férrico. Sulfato de calcio. Dióxido de carbono. 14.

(15) IQ-2004-I-09. Sulfato ferroso: Es la fuente más económica de hierro como coagulante. Tiene las desventaja de que debe utilizarse en combinación con cal. Se utiliza para agua turbia, alcalina, de pH mayor a 8. 3.2.1.2 Polielectrolitos El término polielectrolitos se refiere a todos los polímeros orgánicos solubles en agua y pueden utilizarse como coagulantes o floculantes. Los polielectrolitos varían mucho en su estructura química y pueden ser derivados del almidón y la celulosa, materiales proteínicos los cuales se producen en forma sintética. Ellos pueden ser aniónicos, catiónicos y no iónicos. Una ventaja de los polielectrolitos consiste en que cuando las partículas suspendidas en el agua no pueden aproximarse debido a las fuerzas de repulsión entre ellas, la gran longitud de las cadenas poliméricas permite la unión entre los coloides por energía química. La cantidad utilizada de polielectrolito es de 0.01 a 1 mg/L generalmente ya que debido a la cantidad de segmentos que poseen pueden utilizarse pequeñas dosis. La desventaja que presentan es que lo más común es utilizarlos en combinación con algún coagulante metálico con el fin de mejorar la calidad del agua tratada. Algunas de las características generales de los polielectrolitos son: Pueden producir flóculos que sedimentan rápidamente al ser utilizados con coagulantes metálicos. Dosis muy altas de polielectrolito añadido al agua puede causar dispersión en cambio de ayudar en el proceso de coagulación. Deben ser utilizados de forma diluida para asegurar que se mezcle completamente con el agua. 3.2.1.2.1 Polielectrolitos coagulantes primarios Los coagulantes poliméricos primarios son catiónicos y generalmente de peso molecular bajo (menor de 500,000). Los coagulantes poliméricos que son utilizados más comúnmente son las poliaminas y las aminas cuaternarias. En el agua una poliamina se hidroliza de la siguiente manera: R. R NH + H2O. R. R. ’. NH.H+. +. OH-. Ellos se adsorben en la superficie de las partículas neutralizando las cargas negativas de repulsión. La eficiencia de los coagulantes poliméricos depende de las partículas que van a ser coaguladas, de la turbiedad presente y de la turbulencia durante la coagulación.. 15.

(16) IQ-2004-I-09. Los coagulantes poliméricos poseen muchas ventajas sobre los coagulantes inorgánicos. Algunas de las ventajas son las siguientes: El volumen de floculo que se produce durante la clarificación puede ser reducida en un 50 al 90%. El floculo resultante contiene menos agua y por lo tanto el proceso de la eliminación del agua de este es más sencillo. No afectan el pH y por esto la utilización de hidróxido de calcio y de sodio no es necesaria. Los coagulantes poliméricos no aumentan la concentración de sólidos disueltos totales al contrario de los coagulantes inorgánicos. 3.2.1.2.2 Ayudantes de coagulación o floculantes En algunos casos, un exceso de coagulante ya sea una sal orgánica o un polímero catiónico puede causar la formación de un floculo de un tamaño muy grande, en cambio en otras ocasiones, se añaden cantidades muy grandes de coagulante primario y no produce un floculo apropiado, para evitar esto y reducir la cantidad de coagulante primario requerida, después de añadir el coagulante primario puede ser añadido un floculante que desarrolla un floculo mas denso, mas fuerte y de rápido asentamiento. Estos coagulantes aumentan el rango del pH en el que una coagulación satisfactoria puede ocurrir y también eliminan el arrastre de floculo de la unidad de sedimentación. Estos pueden ser aniónicos, catiónicos o de carga neutra y su peso molecular es de 20,000.000 o más. Por lo general los coagulantes de ayuda más efectivos son poliacrilamidas aniónicas de gran peso molecular. 3.2.1.3 Silica activada Algunos compuestos inorgánicos pueden ser polimerizados en agua formando polímeros floculantes inorgánicos como es el caso de la silica activada (-SiO2-), el procedimiento para la polimerización de este es el siguiente: El silicato de sodio (Na2SiO3) que contiene álcali, es diluido a 1.5–2.0% y luego parcialmente neutralizado con un agente activador que puede ser ácido sulfúrico, silicato de sodio, solución de sulfato de aluminio, sulfato de amonio, bicarbonato de carbono, cloro o bicarbonato de sodio. De esta forma, la silica se vuelve coloidal y empieza a polimerizarse lentamente. Después de 15 a 30 min la solución es diluida a 0.5–1.0% SiO2 punto en el que son frenadas las polimerizaciones y se produce la silica activada. Neutralización 2HA + Na2SiO3 SiO2H2O + 2NaA Polimerización nSiO2H2O (SiO2)n(H2O)x + (n-x)H2O Donde A es el radical del agente activador.. 16.

(17) IQ-2004-I-09. 3.2.1.4 Arcilla Para evitar el uso de coagulantes inorgánicos hay otra forma de tratamiento que puede ser utilizada en aguas de baja turbiedad. En estas se crea una turbiedad artificial con arcilla de bentonita la cual ayuda a formar flóculos. La adición de arcilla provee un área superficial adicional para la adsorción y envolvimiento de la turbiedad inicial finamente dividida. Para completar el proceso de coagulación es necesario usar un coagulante polimérico primario. 3.2.2 Equipos de clarificación Existen 3 tipos de clarificadores: Clarificadores convencionales Unidades de contacto de sólidos Clarificadores de plano inclinado 3.2.2.1 Clarificadores convencionales En este tipo de clarificadores, la coagulación, la floculación y la sedimentación ocurren en compartimientos separados. Esto permite que el diseño y la operación sean mas flexibles pero también que ocupen áreas muy grandes. Existen 3 tipos de diseños los cuales se explican a continuación. 3.2.2.1.1 Alimentación central Este tipo de clarificador consta de 4 secciones: La zona de entrada provee una transición de altas velocidades de entrada a bajas velocidades de la zona de sedimentación. La zona de sedimentación es una zona bastante amplia en donde las partículas sólidas sedimentan. La zona de salida provee una transición de baja velocidad de la zona de sedimentación a velocidades relativamente altas. El diseño de la zona de salida determina el número de partículas que pueden sedimentar en este Figura 1. Clarificador convencional de alimentación punto. La última zona, es donde se depositan y recolectan los lodos y posteriormente son removidos sin perturbar la zona de sedimentación. La mayoría de los equipos de este tipo tienen una pendiente de aproximadamente 5 a 8° respecto al centro de la. 17.

(18) IQ-2004-I-09. unidad donde el lodo es recolectado para ser removido. En la Figura 13 se encuentra un esquema de este equipo. 3.2.2.1.2 Rectangular Originalmente estos eran los equipos de uso mas común. Consisten en un recipiente rectangular grande dividido en 3 secciones, como se ve en la Figura 24. En estos equipos cada uno de los procesos de la clarificación ocurre en una sección diferente y el flujo de agua pasa de forma horizontal a través de cada sección. El tiempo de retención es largo, es de 4 a 6 horas aproximadamente y está enfocado en el proceso de sedimentación. Es muy flexible en el establecimiento de puntos apropiados para la adición de químicos. El problema que tienen estos equipos es que tienen Figura 2. Clarificador convencional rectangular costos de construcción muy altos y ocupan mucho espacio. 3.2.2.1.3 Alimentación periférica Este tipo de clarificador permite que todo el volumen del clarificador circular pueda ser utilizada para sedimentación. El agua entra por la parte inferior del clarificador a velocidades muy bajas lo cual permite que a medida que el agua entra, las partículas mas grandes vayan sedimentando. La velocidad va aumentando hacía el centro del clarificador. La eficiencia del proceso de clarificación en este equipo depende en gran parte de la temperatura del agua y de la turbulencia ya que este es un equipo que depende en su totalidad de Figura 3. Clarificador convencional de la hidráulica. En estos clarificadores, la alimentación periférica recirculación de lodos es muy complicada. Un esquema de este equipo se muestra en la Figura 35. 3. NALCO CHEMICAL COMPANY. “The NALCO Water Handbook”, McGraw Hill Book Company, United. States of America, 1979, p 9-7. 4. BETZ Laboratories, INC. Handbook of Industrial Water Conditioning”, 8a. Edición, Trevose,. Pennsylvania, 1980, p 27. 5. NALCO CHEMICAL COMPANY, Op cit., p 9-8.. 18.

(19) IQ-2004-I-09. 3.2.2.2 Clarificadores de contacto de sólidos Los clarificadores de contacto de sólidos son unidades de flujo vertical mas compactas y económicas que las convencionales. En esta unidad los sólidos permanecen suspendidos formando un manto de lodos que permite una mayor eficiencia de remoción de los sólidos. Este equipo requiere de menor espacio y costos de instalación. El tiempo de retención de este tipo de equipo es de 1 a 2 horas y el flujo es de 0.70 a 1.25 gpm/ft2 6. En la zona de agitación de este tipo de clarificador, la concentración de sólidos puede ser hasta 100 veces mayor que la de un clarificador convencional. La gran cantidad de sólidos aumenta la rata de desestabilización química y crecimiento de partículas, además el tamaño del clarificador puede ser mucho menor. Debido al flujo vertical que tienen estos clarificadores, tienen un mejor desempeño que los clarificadores convencionales. Existen 2 tipos de unidades de contacto de sólidos, los clarificadores con manto de suspensión hidráulica y los clarificadores con manto de suspensión mecánica. 3.2.2.2.1 Clarificador con manto de suspensión hidráulica Estas unidades consisten en un tanque de fondo cónico en el cual se inyecta el agua cruda en la parte inferior. A medida que el agua ingresa al tanque, choca con las paredes causando turbulencia que permite que el agua ascienda. Mientras el agua asciende va disminuyendo su velocidad a medida que el área aumenta. De esta forma, se logra mantener continuamente un manto de lodos hidráulicamente suspendido. Cuando se acumulan gran cantidad de lodos, una parte de los lodos son succionados en un punto superior y recirculados nuevamente al fondo del tanque y la otra parte son purgados mediante un tubo que llega hasta el fondo del tanque. Como estas unidades Figura 4. Clarificador de suspensión hidráulica trabajan hidráulicamente no requieren de ninguna pieza movible y por lo tanto, no requiere del consumo de energía eléctrica. Un esquema de este equipo puede verse en la Figura 47.. 6 7. BETZ, Op cit, p 28. CENTRO PANAMERICANO DE INGENIERIA SANITARIA Y CIENCIAS DEL AMBIENTE (CEPIS).. Teoría, Diseño y Control de los procesos de clarificación del agua, Lima, Perú, 1975, p 240.. 19.

(20) IQ-2004-I-09. Estas unidades dan muy buenos resultados para la remoción de turbiedad y además su costo no es muy elevado. 3.2.2.2.2 Clarificador con manto de suspensión mecánica Este tipo de unidades pueden ser de 3 clases: - Pulsantes o de vacío - De separación dinámica - De agitación simple 3.2.2.2.2.1 Pulsantes o de vacío Este tipo de equipo consiste de un tanque que puede ser circular o cuadrado el cual contiene en el centro una cápsula de vacío la cual succiona el agua cruda por medio de una bomba y mantiene en reposo el agua que se encuentra en la zona de sedimentación para que las partículas puedan sedimentar. Un esquema de este clarificador se muestra en la Figura 58. Cuando el agua alcanza un nivel muy alto dentro de la cápsula de vacío, se abre una válvula de aire localizada en la parte superior de la cápsula con el fin de empujar el agua de la cápsula hacía la zona de sedimentación y así elevar los lodos sedimentados para conservar el manto de lodos. Cuando se acumula gran cantidad de Figura 5. Clarificador pulsante lodos, estos penetran en el concentrador de lodos. El agua decantada se recoge en la parte superior del tanque y finalmente vuelve a cerrarse la válvula de aire. 3.2.2.2.2.2 De separación dinámica Estos equipos contienen una turbina en la parte central del clarificador la cual empuja el flujo de agua hacía abajo haciendo que choquen con las partículas que ascienden con el flujo del tanque. Ver Figura 69. Los flóculos grandes sedimentan y los flóculos pequeños deben ser eliminados posteriormente por adsorción. Estos equipos constan de 4 zonas principales, la zona 1, es la zona inferior del tanque donde ocurre mezcla y reacción ya que los coagulantes son inyectados en este punto. La concentración de sólidos en esta zona debe ser controlada eliminando sólidos del sistema para 8 9. Ibid p 242. BETZ, Op cit., p 29.. Figura 6. Clarificador de separación dinámica. 20.

(21) IQ-2004-I-09. balancear los sólidos entrando en el agua cruda y los sólidos que son recirculados. Para esto puede ser utilizada una tubería que succione el lodo hacia fuera por medio de un sistema de bombeo. Este punto es el mas difícil de controlar de este tipo de unidad. La zona 2, es una zona de mezcla lenta en la cual ocurre la floculación, la zona 3 es la zona en la cual se forma el manto de lodos y en la zona 4, el agua clarificada asciende hasta la salida. 3.2.2.2.2.3 De agitación simple En estos tanques el agua es inyectada por la parte central del clarificador, desciende a través de la parte cónica central donde ocurre la coagulación y la floculación y luego vuelve a subir a través de unas secciones cónicas laterales donde se forma el manto de lodos y finalmente ocurre la sedimentación. Consta de un agitador mecánico que gira lentamente manteniendo las partículas en suspensión en el manto de lodos. El exceso de lodos son recogidos en un concentrador. A diferencia de los demás equipos de contacto de sólidos, en este equipo no ocurre recirculación de sólidos. Figura 7. Clarificador de separación simple El diagrama de este tipo de equipo puede 10 verse en la Figura 7 . 3.2.2.3 Clarificador de plano inclinado Algunos científicos realizaron ensayos en clarificadores intentando verificar la hipótesis de que si se colocan varias placas horizontales a través del tanque se puede lograr mayor número de partículas sedimentadas ya que habría mayor área superficial para recibir las partículas. Después de realizar los ensayos comprobaron que el clarificador si tiene una eficiencia alta pero notaron que estos equipos son muy difíciles de limpiar. La solución al problema se consiguió con el diseño de los clarificadores de plano inclinado. Estas unidades consisten en una serie de placas paralelas colocadas con cierto ángulo de inclinación dentro del tanque a través de las cuales va pasando a medida que entra y en donde las partículas son removidas del agua. A medida que las placas remueven las partículas sólidas, estas últimas van cayendo al fondo del tanque y por lo tanto, la limpieza del equipo es mucho mas sencilla. 3.2.3 Pruebas de coagulación Con el fin de predecir cuales deben ser los químicos de la coagulación y las dosis de cada uno de ellos es necesario realizar una simulación de la 10. Ibid p 29.. 21.

(22) IQ-2004-I-09. clarificación a pequeña escala. Para esto pueden utilizarse las mediciones del potencial Zeta o la prueba de jarras. 3.2.3.1 Potencial Zeta El potencial Zeta es una medida de la fuerza de la carga que tiene una partícula coloidal. Los coloides presentes en aguas naturales con un rango de pH de 5-8, tiene un potencial Zeta generalmente de –14 a –30 milivoltios. Entre mas negativo sea el resultado mas fuerte es la carga de la partícula. Las mediciones del potencial Zeta han sido utilizadas para predecir las dosis necesarias del coagulante y los niveles óptimos de pH pero no es un método del todo confiable para predecir cual es el mejor coagulante. Esta técnica no resulta ser práctica para el control de las plantas de clarificación de aguas industriales ya que requiere del uso de un equipo especial y de un técnico capacitado. 3.2.3.2 Prueba de jarras La prueba de jarras simula mejor el proceso de clarificación y es muy útil para predecir el coagulante que se debe utilizar y de esta forma determinar el mejor tratamiento y el mas económico para clarificar un agua particular. La prueba de jarras simula las etapas de mezclado y las condiciones de asentamiento que se ven en una planta de clarificación. Consiste en un arreglo de varios beakers que se ponen en marcha simultáneamente y permiten la comparación de varias combinaciones de químicos añadidos en cada una de las jarras. Se analiza la velocidad de asentamiento del flóculo, la claridad final o sólidos suspendidos y el volumen del flóculo producido. 3.3. FILTRACIÓN. La filtración es un proceso en el cual se hace pasar una mezcla sólido-líquido a través de un medio poroso que retiene los sólidos y permite el paso del líquido. Cuando los sólidos suspendidos tienen un tamaño mayor al de los poros, estos serán retenidos en la superficie del filtro. En este caso la filtración se conoce como filtración sobre soporte. Por el contrario, cuando los sólidos suspendidos son de menor tamaño que los poros, estos serán retenidos en el interior del lecho y es llamada filtración sobre lecho filtrante. 3.3.1 Filtración sobre soporte La filtración a través de un soporte puede realizarse sobre soporte de mallas, soporte grueso y soporte con precapa.. 22.

(23) IQ-2004-I-09. 3.3.1.1 Filtración sobre soporte de mallas Este tipo de filtración puede realizarse en filtros abiertos que trabajan por gravedad y filtros a presión. Se utiliza especialmente para la remoción de materia suspendida de gran tamaño presente en aguas de superficie. La reducción de sólidos suspendidos por este método es de sólo entre el 50 y el 80% y no tiene acción sobre el color. 3.3.1.2 Filtración sobre soporte grueso Mediante este proceso la retención no sólo ocurre sobre la superficie sino también sobre una cierta profundidad que no es capaz de retener gran cantidad de sólidos suspendidos. La porosidad puede obtenerse por impregnación de los soportes con resinas, fibras de lana o celulosa los cuales no son generalmente reutilizables; con hilos de algodón, vidrio o propileno; o con productos aglomerados porosos, metal, arena o plástico. 3.3.1.3 Filtración sobre soportes con precapa En este proceso no se utiliza sólo un soporte fijo sino se utiliza un material filtrante muy fino que se introduce en el filtro antes de cada ciclo para formar sobre un soporte fijo una capa filtrante microporosa llamada precapa. El material filtrante típico utilizado en estos filtros es la tierra de diatomeas que es secada después de cada filtrado pero su limpieza y reutilización aunque es posible no se realiza de forma común. La tierra diatomeas está formada por esqueletos fosilizados de algas de diatomeas microscópicas que crecen en aguas marinas o salobres. Este material es procesado por calcinación, molienda y clasificación en tamaños para las diferentes aplicaciones. También se utiliza perlita como medio filtrante que proviene de roca volcánica vítrea. 3.3.2 Filtración sobre lecho filtrante Estos filtros utilizan una sustancial profundidad de un medio poroso como la arena, el carbón de antracita, el carbón granular activo o una combinación de ellos. En la mayoría de los procesos de clarificación y suavización del agua en donde ocurre la coagulación y la precipitación, al menos una porción del agua químicamente procesada es filtrada posteriormente. Una filtración puede reducir la turbiedad del agua la cual ha sido pretratada con coagulantes inorgánicos u orgánicos sintéticos. El efluente de la coagulación o sedimentación puede ser reducido de un rango de turbiedad de 2-10 JTU a 1.0 JTU11 con la filtración de arena convencional.. 11. BETZ, Op cit., p 32.. 23.

(24) IQ-2004-I-09. 3.3.2.1 Tipos de medio poroso La eficiencia con la cual el medio filtrante remueve los sólidos depende del tipo de medio filtrante, de su tamaño y de la forma de las partículas que forman el medio. Los tipos comunes de medios usados en los filtros de lecho granular son la arena silícea, el carbón de antracita y el carbón granular activo. También hay otros tipos de medios como la arena Quartz, el granate y la ilmenita. Los medios filtrantes son clasificados de acuerdo al tamaño de partícula y la uniformidad. La granulometría se caracteriza por una curva representativa de los porcentajes en peso de los granos que pasan a través de las mallas de una sucesión de tamices. El coeficiente de uniformidad es la relación entre el 60% de la curva y el tamaño efectivo que corresponde al 10% de esta misma curva. Los filtros de arena y antracita son utilizados para remover sólidos suspendidos. En estos filtros, el tamaño del medio depende de las características de los sólidos suspendidos, de los requerimientos de la calidad del efluente y del diseño del filtro. El carbón granular activo (GAC) se utiliza especialmente para la remoción de olores y sabores mediante la filtración de partículas. Actualmente el GAC también está siendo utilizado de forma común después de la filtración para adsorber compuestos orgánicos. Cuando se emplea un medio combinado, el medio menos denso va arriba del mas denso. La filtración flujo abajo a través de este filtro permite una penetración mas profunda y mas uniforme de las partículas y permite velocidades de filtración mas altas y corridas mas largas. Debido a la diferencia de densidad que tienen los diferentes medios, las capas mantienen su configuración aun después del lavado a alta velocidad, sin embargo, una combinación de muchos medios diferentes podría causar problemas en el lavado. Los filtros de arena y antracita combinados tienen muchas ventajas para una óptima filtración pero necesita menos agua de lavado que los filtros que son de solo arena o de antracita. Los medios que son utilizados de manera exitosa para la filtración de medio combinado se ven en la Tabla 3.. 24.

(25) IQ-2004-I-09. Tabla 312. Tamaño efectivo y gravedad específica de los medios mas comúnmente usados Medio Antracita Arena Carbón granular activo. Tamaño efectivo (mm) 0.7-1.7 0.3-0.7 0.55-0.6513. Gravedad específica 1.4 1.6 ----. 3.3.2.2 Tipos de filtros Los filtros están clasificados según la depresión hidráulica utilizada para pasar el agua a través del medio filtrante en filtros por gravedad y filtros a presión. 3.3.2.2.1 Filtros de gravedad Los filtros por gravedad son filtros abiertos a la atmósfera en los cuales el agua pasa por gravedad, por este motivo, este tipo de filtro tiene una velocidad superficial relativamente baja y por lo tanto un tiempo de residencia alto. Las partes esenciales de un filtro de gravedad son: - Carcaza del filtro: Puede ser cuadrada, rectangular o circular y puede estar fabricada con concreto, acero o madera. Los mas utilizados son los filtros rectangulares de concreto. - Lecho de gravilla: Soporta el medio filtrante, previene la perdida del material filtrante a través del sistema de drenaje inferior y distribuye el agua de lavado. El lecho usualmente es de 1 a 2 ft de profundidad. - Sistema de drenaje: Soporta la capa de gravilla, asegura una recolección uniforme del agua filtrada y una distribución uniforme del agua de lavado. La cabeza y los lados del sistema posee perforaciones o coladores debidamente espaciados. - Mecanismo de control: Asegura una máxima eficiencia del proceso de filtración. 3.3.2.2.2 Filtros de presión Los filtros a presión utilizan un recipiente a presión que contiene el medio filtrante al cual el agua entra bajo presión y sale a una presión un poco mas baja. La presión es la fuerza de la filtración, el medio es la resistencia a esta fuerza. Cierta parte de la energía de presión interna del filtro se pierde cuando el agua es forzada a través del poro. A diferencia de los filtros de gravedad, los filtros de presión no necesitan rebombear el agua. Estos filtros también utilizan una medio filtrante, un lecho de soporte, un sistema de drenaje y mecanismos de control, la diferencia es que la coraza del filtro de presión no tiene canales de agua de lavado.. 12 13. BETZ, Op cit., p 33. LETTERMAN, RAYMOND. “Calidad y tratamiento del agua”, 5ª Edición, McGraw Hill, 2002, p 474.. 25.

(26) IQ-2004-I-09. Los filtros de presión son cilíndricos con coraza de acero y pueden ser horizontales o verticales. Los filtros verticales tiene un diámetro de 1 a 10 ft con capacidades por filtro de 300 gpm14. Los filtros horizontales son de diámetro de 8 ft, pueden ser de 10 a 25 ft de largo con capacidades de 200 a 600 gpm. El filtro posee compartimientos que permiten el retrolavado de solo una sección a la vez. El agua de retrolavado puede ser recuperada devolviéndola al clarificador. 3.3.2.3 Tipo de filtración La filtración puede ser lenta o rápida dependiendo del tipo de agua que se desea tratar. 3.3.2.3.1 Filtración lenta La filtración lenta se utiliza para el tratamiento de aguas superficiales a las cuales no se les realiza ningún tratamiento previo a la filtración. Cuando se utiliza este tipo de filtración por lo general el agua a tratar se hace pasar por 3 etapas diferentes. La primera etapa consiste en un filtro el cual opera a un caudal de 20 a 30 m3/d/m2 15, en la segunda etapa el agua pasa por un filtro a un caudal de 10 a 20 m3/d/m2 y en la última etapa se hace pasar el agua a de 3 a 7 m3/d/m2. Es requisito indispensable de este tipo de filtros que el agua no tenga un contenido muy alto de sólidos suspendidos ya que la filtración no sería lo suficientemente eficiente y el agua quedaría turbia, con color y de mal sabor, por lo tanto, este proceso es mejor utilizarlo en casos en que sólo se desee mejorar las características del agua. Cuando ocurre el taponamiento del filtro, el lavado de este se realiza por rascado de la carga de suciedad para eliminarla de la superficie. 3.3.2.3.2 Filtración rápida Este proceso consiste en el paso de agua, en la mayoría de los casos pretratada, a través del lecho a velocidades entre 4 a 50 m/h 16 dependiendo del tipo de agua que se quiere tratar. El flujo en estos filtros es generalmente hacía abajo aunque también se utiliza hacía arriba para ciertas aplicaciones. A medida que se remueven sólidos del agua, en el filtro ocurre un aumento gradual en pérdida de carga si el caudal se mantiene constante. Para la limpieza de estos filtros se realiza un retrolavado utilizando un caudal de agua limpia en sentido contrario al flujo del agua a tratar. El tiempo que transcurre entre retrolavados es llamado ciclo de filtrado. El retrolavado es necesario realizarlo cuando: 14. BETZ, Op cit., p 34. DEGREMONT, Gilbert. “Manual Técnico del Agua”, Sociedad General de depuración de aguas, Francia, 1973, p 156.. 15. 16. Ibid, p 157.. 26.

(27) IQ-2004-I-09. -. La pérdida de carga a través del filtro aumenta hasta el límite disponible de columna de agua. El agua filtrada no presenta una calidad adecuada. Cierto tiempo establecido ha transcurrido.. La filtración rápida puede ser de 3 tipos los cuales se realizan a diferentes caudales. 3.3.2.3.2.1 Filtración directa La filtración directa se refiere al tratamiento sobre filtro de aguas a las que no se les adicionan químicos previamente y se realiza a velocidades promedio entre 4 a 20 m/h 17. El problema de este tipo de filtración es que como no recibe ningún pretratamiento, el agua puede tener propiedades muy diferentes cada que vez que se quiera pasar sobre el filtro y por lo tanto debe realizarse un estudio profundo con diferentes muestras de agua para analizar sus cambios y realizar un diseño de filtro adecuado para todo tipo de muestra. 3.3.2.3.2.2 Filtración con coagulación sobre filtro Este tipo de filtración se realiza a velocidades entre 4 a 10 m/h18 y se utiliza para el tratamiento de aguas poco cargadas. Durante la filtración se utilizan coagulantes y floculantes en pequeñas dosis con el fin de reducir el color y el contenido de materias suspendidas. 3.3.2.3.2.3 Filtración de agua coagulada y sedimentada El agua que se trata en este tipo de filtración, es agua que sólo contiene trazas de flóculos ya que gran parte de los sólidos suspendidos del agua son eliminados por medio de un proceso de clarificación previo. Por lo tanto, la filtración se realiza como un tratamiento de acabado para mejorar la calidad del agua. La velocidad de filtración es generalmente entre 5 y 15 m/h 19 dependiendo de la calidad del agua que se desee obtener. 3.4. OSMOSIS INVERSA. La ósmosis es el proceso por el cual una solución se separa en dos corrientes, una de mayor concentración y una de menor concentración. En este proceso el solvente fluye en sentido tal que reduciría la concentración de la solución más concentrada. Si usara un sistema con dos recipientes, uno unido al otro a través de un tubo con la membrana separando dos soluciones, una más concentrada que la otra e inicialmente con el mismo nivel y sometida a la misma presión, el nivel de la solución más concentrada aumentaría hasta cierto 17. Ibid, p 157. Ibid, p 158. 19 Ibid p 159. 18. 27.

(28) IQ-2004-I-09. punto. La diferencia de presión se conoce como la presión neta motriz, y se puede definir como: presión neta motriz = P. aplicada al sistema-P del permeado-P osmótica Así mismo, si con esta presión aplicada constante se agregara una mayor cantidad de soluto al sistema, la diferencia en altura disminuiría ya que aumentaría la presión osmótica del sistema. En la osmosis inversa se aplica una presión como fuerza motriz para superar la presión osmótica. De esta forma al hacer esto, el sistema se mueve en el sentido contrario de la ósmosis, impulsando el solvente de la solución más concentrada a la menos concentrada. En la práctica este diferencial de presión es a veces mayor que 300 psig, con una relación aproximada de 10 psi por cada 1000 mg/L20 de diferencia en TDS. Otra aproximación es calcular la presión osmótica multiplicando la concentración de sólidos disueltos por la relación presión osmótica = ppm de TDS ⋅. 0,01 psi ppm de TDS. Estas relaciones son afectadas por la estructura molecular de la membrana: como los poros de esta son de tamaño molecular no están bien definidos ya que estas membranas son como tal polímeros amorfos. Por esta última razón la osmosis inversa, a diferencia de la ultra-filtración, remueve partículas tan pequeñas como iones de bajo peso molecular, ya que sus membranas no tienen poros como tal (ó por lo menos así se cree ya que no se pueden ver ni siquiera con un microscopio de barrido de electrones) sino intersticios en la estructura molecular de esta. Desarrollada en los años 60’s, la OI produce un permeado de muy alta calidad y un concentrado reducido que después puede ser tratado es llamado el rechazo. La eficiencia del proceso en cuanto a la concentración de sales disueltas que no son rechazadas por la membrana (es decir la concentración de estas en el producto final) depende entre otras variables del flujo tratado (donde la eficiencia es inversamente proporcional al flujo de agua tratada) y de la membrana como tal (tanto del material como del nivel tecnológico de la manufactura de esta). El uso de este proceso en una planta de tratamiento de agua puede reducir los costos operacionales de esta y los costos capitales de otros equipos, así como reducir la dependencia del sistema en los tratamientos químicos. Aparte de estos beneficios, la OI también presenta los siguientes: Recupera alrededor del 85% de la corriente de desecho 20. PERMACARE. “Permacare International Membrane Treatment Program”, Macromedia Inc, 1996.. 28.