PRECIPITACIÓN QUÍMICA DEL FÓSFORO MEDIANTE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

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1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA PRECIPITACIÓN QUÍMICA DEL FÓSFORO MEDIANTE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS MAURICIO JAVIER OYARZO VARGAS 2007

2 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA PRECIPITACIÓN QUÍMICA DEL FÓSFORO MEDIANTE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para la obtención del título de Ingeniero en Ejecución Química, mención en Industria y Medioambiente MAURICIO JAVIER OYARZO VARGAS PROFESOR GUIA: CLAUDIO GOMEZ FUENTES 2007

3 Agradecimientos a: Mi Madre, por ser el pilar fundamental en mi educación y en mi vida, gracias por darme la fuerza y el valor para conseguir un sueño. A las demás personas que siempre me apoyaron, muchas gracias i

4 RESÚMEN La eliminación del fósforo es un parámetro de importancia en la depuración de aguas residuales, esto se debe principalmente a su efecto nocivo en el medio ambiente, principalmente produciendo la eutrofización de masas de agua. El presente trabajo de tesis consistió en la generación de curvas de precipitación para el fósforo, mediante la adición de sulfato de aluminio en aguas residuales con distintos grados de tratamiento. Con respecto a la metodología y a los análisis realizados en laboratorio, se utilizaron muestras reales provenientes de distintos puntos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Puerto Natales, estos son: Agua Bruta, Salida Pre Tratamiento, Licor Mezcla y Salida del Decantador Secundario. Para todas las muestras, se realizaron los siguientes análisis: ph, Sólidos Suspendidos Totales, Demanda Química de Oxígeno, Fósforo libre y Fósforo total, todos estos basados en la NCh 2313, y en el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. En cuanto a los resultados, las curvas obtenidas de precipitación de fosforo, son parecidas en tendencia a las curvas de bibliografía, sin embargo se obtienen valores diferentes de fosforo sobrenadante versus dosis aplicadas, requiriéndose dosis mayores en aguas residuales reales, posiblemente por la existencia de compuestos que no precipitan o que consumen Al +3. Para todas las dosis aplicadas se obtuvieron altos rendimientos en la eliminación de materia orgánica y sólidos suspendidos. En cuanto a la eliminación de fósforo con adiciones superiores a 20 mg/l se cumple con la tabla N 4 del DS 90 para el efluente de un sistema biológico. Dosis inferiores ii

5 a 35 mg/l, no cumplieron con los límites de fósforo de la tabla N 3 del citado decreto. Finalmente y debido a los altos rendimientos obtenidos, resulta interesante la evaluación de la precipitación con sulfato de aluminio como sistema único tratamiento en los casos que el sistema tradicional pueda ser poco recomendable. iii

6 TABLA DE CONTENIDOS RESÚMEN II TABLA DE CONTENIDOS IV INDICE DE TABLAS VI INDICE DE FIGURAS VII CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 1 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS. 3 CAPÍTULO 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA CARACTERIZACIÓN TÍPICA DE LAS AGUAS RESIDUALES URBANAS Constituyentes orgánicos Constituyentes inorgánicos Contenido sólido de las aguas residuales Nutrientes Microorganismos SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS Tratamiento Primario y primario avanzado Tratamiento Secundario Tratamiento Terciario GENERALIDADES DE LA PRECIPITACIÓN QUÍMICA PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN Tamaño de las partículas en Suspensión Afinidad de las Partículas Coloidales por el Agua Carga Eléctrica y Doble Capa Factores de Estabilidad e Inestabilidad COAGULACIÓN Etapas o Fases de la Coagulación Tipos de Coagulación Principios básicos en el uso de coagulantes Mecanismo de la Coagulación Compresión de la Doble Capa Absorción y Neutralización de Cargas Agrupamiento de Partículas dentro de un Precipitado Adsorción y Puente Zonas de coagulación FLOCULACIÓN Objetivo de la Floculación Tipos de Floculación Parámetros de la Floculación Floculantes Factores que Influyen en la Coagulación - Floculación Influencia del ph Influencia de las Sales Disueltas Influencia de la Temperatura del Agua Influencia de la Dosis del Coagulante Influencia de Mezcla Influencia de la Turbiedad ANTECEDENTES BÁSICOS DEL FÓSFORO Efectos del Fósforo sobre la salud Efectos Ambientales del Fósforo Eutrofización Principales Efectos de la Eutrofización Factores que afectan el grado de Eutrofización. 47 iv

7 Medidas para evitar la Eutrofización MÉTODOS DE ELIMINACIÓN DEL FÓSFORO EN AGUAS RESIDUALES El Fósforo en Aguas Residuales Eliminación Biológica del Fósforo Eliminación por precipitación química del fósforo 57 CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA MUESTREO Lugar Físico de Muestreo Esquema Planta Tratamientos Puntos de Muestreo Fechas de Muestreo Normativa de Muestreo ENSAYOS DE LABORATORIO Test de Jarras Características del Equipo Metodología ocupada en el ensayo Procedimiento para el ensayo de jarras Análisis Químicos Normativa 70 CAPÍTULO 5. DATOS OBTENIDOS DATOS INICIALES, SIN APLICACIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO ph Sólidos Suspendidos Totales (SST) Demanda Química de Oxigeno (DQO) Fósforo Total (P total) Fósforo Libre (P libre ) ENSAYOS POSTERIORES A LA ADICÓN DE SULFATO DE ALUMINIO Concentraciones de Sólidos Suspendidos Totales en los Cuatro Puntos de Muestreo después del test de jarras Concentración de la Demanda Química de Oxigeno en los Cuatro Puntos de Muestreo después del test de jarras Concentraciones de Fósforo Total en los Cuatro Puntos de Muestreo después del test de jarras Concentración de Fósforo Libre en los Cuatro Puntos de Muestreo después del test de jarras. 81 CAPÍTULO 6. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 83 CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES 91 CAPÍTULO 8. BIBLIOGRAFIA 93 GLOSARIO 1 ANEXO: RESULTADOS DE LABORATORIO 17 v

8 INDICE DE TABLAS TABLA Nº 1. PARÁMETROS COMUNES EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS. 10 TABLA Nº 2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS. 11 TABLA Nº 3. TIEMPOS DE DECANTACIÓN DE PARTÍCULAS. 18 TABLA Nº 4.CLASIFICACIÓN DEL AGUA, SEGÚN SU COMPORTAMIENTO EN LA COAGULACIÓN 29 TABLA Nº 5. RANGOS DE PH PARA EL ALUMINIO Y EL HIERRO. 35 TABLA Nº 6. DOSIS OPTIMAS PARA EL ALUMINIO Y EL HIERRO. 37 TABLA Nº 7. PRINCIPALES PROCESOS BIOLÓGICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 51 TABLA Nº 8. SISTEMAS BIOLÓGICOS UTILIZADOS EN LA ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES (NITRÓGENO Y FOSFORO). 54 TABLA Nº 9. TIPOS DE REACTIVOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL. 60 TABLA Nº 10. PRODUCTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL 61 TABLA Nº 11. LUGARES DE MUESTREO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS 64 TABLA Nº 12. FECHAS DE REALIZACIÓN DE MUESTREO 64 TABLA Nº 13. CARACTERÍSTICAS EQUIPO TEST DE JARRAS 66 TABLA Nº 14. CONCENTRACIONES TÍPICAS PARA SOLUCIONES COAGULANTES 67 TABLA Nº 15. DOSIS DE COAGULANTE ADICIONADAS PARA ENSAYO DE JARRAS 68 TABLA Nº 16. DATOS PARA LA CONFECCIÓN DE CURVA DE CALIBRACIÓN DEL FÓSFORO 71 TABLA Nº 17. DATOS PARA LA CONFECCIÓN DE CURVA DE CALIBRACIÓN DEL DQO 73 TABLA Nº 18. DATOS PARA LOS VALORES DE PH 74 TABLA Nº 19. DATOS PARA LOS VALORES DE SST. 74 TABLA Nº 20. DATOS PARA LOS VALORES DE DQO. 75 TABLA Nº 21. DATOS PARA LOS VALORES DE P TOTAL. 75 TABLA Nº 22. DATOS INICIALES PARA LOS VALORES DE P LIBRE. 75 TABLA Nº 23. CONCENTRACIONES DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DESPUÉS DEL TEST DE JARRAS. 76 TABLA Nº 24. CONCENTRACIONES DE DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO DESPUÉS DEL TEST DE JARRAS. 78 TABLA Nº 25. CONCENTRACIONES DE FÓSFORO TOTAL DESPUÉS DEL TEST DE JARRAS. 79 TABLA Nº 26. CONCENTRACIONES DE FÓSFORO LIBRE DESPUÉS DEL TEST DE JARRAS. 81 TABLA Nº 27.DATOS INICIALES PARA EL AGUA BRUTA EN CADA UNA DE LAS MUESTRAS REALIZADAS. 83 TABLA Nº 28. COMPOSICIÓN TÍPICA DEL AGUA RESIDUAL DOMESTICA BRUTA. (METCALF Y EDDY, 1995) 84 TABLA Nº 29.COMPARACION DE RESULTADOS DE ANÁLISIS CON TABLAS DEL DS vi

9 INDICE DE FIGURAS FIG. N 1.- DOBLE CAPA DE UNA PARTÍCULA COLOIDAL. 20 FIG. N 2.- ESTABILIDAD DE COLOIDES. 21 FIG. N 3.- ANULACIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS. 22 FIG. N 4.- PRIMERA Y SEGUNDA FASE DE LA COAGULACIÓN 23 FIG. N 5.- TERCERA Y CUARTA FASE DE LA COAGULACIÓN 23 FIG. N 6.- COAGULACIÓN POR ADSORCIÓN 24 FIG. N 7.- COAGULACIÓN POR BARRIDO 25 FIG. N 8.- FUERZA DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN. 27 FIG. N 9.- AGRUPAMIENTO DE PARTÍCULAS EN UN FLOC. 28 FIG. N 10.- ETAPAS EN LA ADICIÓN DE COAGULANTE. 30 FIG. N 11.- ESQUEMA DE UN FLOCULANTE. 31 FIG. Nº 12. ESTRUCTURA TÍPICA DEL GRUPO FOSFATO. 40 FIG. Nº 13.- SISTEMA BIOLÓGICO AO 54 FIG. Nº 14.- SISTEMA BIOLÓGICO A2/O 55 FIG. Nº 15.- SISTEMA BIOLÓGICO BARDENPHO. 55 FIG. Nº 16.- SISTEMA BIOLÓGICO UCT. 56 FIG. Nº 17.- SISTEMA BIOLÓGICO UCT MODIFICADO. 56 FIG. Nº 18.- SISTEMA BIOLÓGICO UCT VIP. 57 FIG. Nº 19.- DIAGRAMA DE FLUJO PRE PRECIPITACIÓN PARA LA ELIMINACIÓN DEL FÓSFORO. 58 FIG. Nº20.- DIAGRAMA DE FLUJO CO PRECIPITACIÓN PARA LA ELIMINACIÓN DEL FÓSFORO. 59 FIG. Nº 21.- DIAGRAMA DE FLUJO POST PRECIPITACIÓN PARA LA ELIMINACIÓN DEL FÓSFORO. 59 FIG. Nº 22.- DIAGRAMA DE FLUJO SIMPLIFICADO PLANTA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PUERTO NATALES. 63 FIG. Nº 23.- EQUIPO PARA EL ENSAYO DEL TEST DE JARRAS 66 FIG. Nº 24.- CURVA CALIBRACIÓN FÓSFORO A 400 (NM) 71 FIG. Nº 25.- CURVA CALIBRACIÓN FÓSFORO A 420 (NM) 72 FIG. Nº 26.- CURVA CALIBRACIÓN FÓSFORO A 470 (NM) 72 FIG. Nº 27.- CURVA CALIBRACIÓN DQO A 600 (NM) 73 FIG. Nº 28.- CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO. 77 FIG. Nº 29.- CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN EL LICOR MEZCLA. 77 FIG. Nº 30.- CONCENTRACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO. 78 FIG. Nº 31.- CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN LICOR MEZCLA. 79 FIG. Nº 32.- CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO. 80 FIG. Nº 33.- CONCENTRACIÓN DE FÓSFORO TOTAL DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN LICOR MEZCLA. 80 FIG. Nº 34.- CONCENTRACIÓN DE FÓSFORO LIBRE DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO. 81 FIG. Nº 35.- CONCENTRACIÓN DE FÓSFORO LIBRE DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE SULFATO DE ALUMINIO EN LICOR MEZCLA. 82 FIG. Nº 36.- CONCENTRACIÓN DE FÓSFORO LIBRE EN RELACIÓN A LA ADICIÓN DE AL 2 (SO) FIG. Nº 37.- CONCENTRACIÓN DE FÓSFORO LIBRE DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE AL 2 (SO) FIG. Nº 38.- PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUA BRUTA. 88 vii

10 INTRODUCCIÓN. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. Los sistemas de tratamientos de aguas, se han desarrollado considerablemente a lo largo de las últimas décadas con el fin de remover contaminantes presentes en las aguas de desecho. Estos inicialmente se crearon con la finalidad de separar solamente los residuos sólidos de las Aguas Residuales, aunque con su desarrollo también se incluyeron otros procesos para la remoción de otros contaminantes, dividiéndose un proceso tradicional en tratamiento primario, secundario y terciario. El tratamiento de aguas residuales, incorpora procesos físicos, químicos y biológicos, siendo este último uno de los más utilizados para tratar tanto la materia orgánica como compuestos difíciles de depurar tales como el Nitrógeno y el Fósforo. Producto de la necesidad de eliminar nutrientes del agua, para evitar fenómenos de eutrofización, se implementaron procesos de precipitación Química, con sales metálicas y coagulantes de origen orgánico o polímeros para la eliminación de fósforo principalmente. La precipitación química en la región sólo se ha ocupado para la purificación del agua potable, y en ningún caso conocido, para el tratamiento de aguas residuales. En la precipitación química, la sal metálica más utilizada es el Sulfato de Aluminio. Este se utiliza debido al bajo costo que tiene frente a otras sales tales como el Cloruro Férrico o los polímeros y ha sido ampliamente utilizado en la eliminación de fósforo. Este trabajo estudia la precipitación de fósforo en aguas residuales reales mediante la adición de sulfato de aluminio. Este estudio tiene entre sus objetivos comparar las curvas teóricas de precipitación, generalmente 1

11 INTRODUCCIÓN. obtenidas con aguas residuales sintéticas, con aquellas obtenidas en condiciones reales, de forma de aportar datos para el diseño de futuras plantas que requieran incorporar la eliminación de fósforo. Adicionalmente se debe notar que en la actualidad no existen datos a nivel nacional ni mucho menos a nivel regional acerca de las dosis necesarias para la eliminación de fósforo en aguas residuales reales. 2

12 OBJETIVOS. CAPÍTULO 2. OBJETIVOS. Objetivo General: El objetivo general de este trabajo de tesis, es la precipitación química del fósforo para la eliminación de este compuesto, mediante la adición de sulfato de aluminio en plantas de tratamiento de aguas Objetivos Específicos: 1. Caracterizar el agua residual real en sus distintos grados del tratamiento. 2. Agregar distintas concentraciones de sulfato de aluminio como agente precipitante, en distintos puntos del tratamiento. 3. Determinar curvas de eliminación de contaminantes para: sólidos suspendidos totales, demanda química de oxigeno, fósforo libre y fósforo total. 4. Comparar los datos obtenidos en laboratorio con aguas residuales reales, versus los que se indican por bibliografía con aguas residuales sintéticas 3

13 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA CAPÍTULO 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Agua residual es el término genérico utilizado para designar el residuo líquido recogido mediante la red de alcantarillado para su envío a una planta de depuración. Existen definiciones más específicas que distinguen entre los diferentes tipos de agua residual, las que se presentan en la bibliografía, y vienen definidas generalmente en función de su origen. De esta manera, se consideran Aguas Residuales Domésticas (ARD), las aguas provenientes de las zonas habitacionales y que son generadas principalmente por el metabolismo humano y por las actividades comerciales o domésticas de limpieza y alimentación. Las Aguas Residuales Urbanas (ARU) son generadas cuando, dentro de la misma red de alcantarillado que transporta las aguas residuales domésticas, se vierten aguas residuales de origen industrial. El agua residual de origen industrial proviene de las instalaciones de manufacturado y elaboración de alimentos. Asimismo, las aguas residuales urbanas pueden contener agua de escorrentía que accede a la red de alcantarillado a través de los pozos de registro y agua subterránea que se infiltra en la red a través de uniones deterioradas o de grietas en los conductos que transportan dichas aguas. La presente revisión bibliográfica se divide en dos partes principales, la primera consiste en la caracterización típica de las Aguas Residuales Urbanas y en los sistemas de depuración de estas, con sus respectivos ítems, y una segunda parte correspondiente a los métodos de eliminación de nutrientes, específicamente el fósforo. 4

14 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3.1 CARACTERIZACIÓN TÍPICA DE LAS AGUAS RESIDUALES URBANAS. La composición de un agua residual urbana, muestra con frecuencia un amplio margen de variación entre diferentes poblaciones ya que, además de las influencias de origen industrial, comercial y pluvial, los usos públicos del agua varían en función de la naturaleza de la población residente. Por lo tanto, la composición de un agua residual urbana se define por las cantidades reales de sus componentes físicos, químicos y biológicos. En términos generales, la mayor parte de los componentes presentes en un agua residual urbana son materia orgánica, nutrientes, metales, materia inorgánica y microorganismos. Una considerable parte de estos componentes se encuentra en forma particulada CONSTITUYENTES ORGÁNICOS Los compuestos orgánicos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, con la presencia, en determinados casos, de nitrógeno. La composición del residuo orgánico de un agua residual depende de su naturaleza y origen, no obstante se puede afirmar que típicamente el material orgánico de un agua residual está compuesto por proteínas (40-60 %), hidratos de carbono (25-50%), grasas y aceites (10%) Otro compuesto orgánico con importante presencia en las aguas residuales urbanas es la urea, principal constituyente de la orina. Sin embargo, debido a su velocidad de descomposición, la urea raramente está presente en aguas residuales que no sean muy recientes (Metcalf y Eddy, 1995). Las más importantes consecuencias de la contaminación orgánica se ven reflejadas en sus efectos sobre la concentración de oxígeno disuelto (OD) en las aguas receptoras. Cuando la velocidad de consumo de oxígeno excede 5

15 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA la velocidad de aireación atmosférica del agua, la concentración de oxígeno cae hasta provocar la muerte de algunas especies acuáticas que serán remplazadas por otras cuyos requerimientos de oxígeno sean menores (Abel, 1996). Los ensayos más empleados mundialmente para la determinación del contenido orgánico de las aguas residuales en concentraciones mayores de 1mg/l, son los siguientes: 1) demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 ), 2) demanda química de oxígeno (DQO), y 3) carbono orgánico total (COT) CONSTITUYENTES INORGÁNICOS Las concentraciones de los diferentes constituyentes inorgánicos pueden afectar mucho a los usos del agua, por ello conviene examinar la naturaleza de algunos de ellos, especialmente aquellos que han sido incorporados al agua superficial durante su ciclo de uso. Dentro de la materia inorgánica de un agua residual sin tratar, el contenido de sustancias minerales disueltas viene determinado por el contenido correspondiente del agua de abastecimiento público y por el aumento producido durante la utilización del agua para usos domésticos (Mujeriego, 1990). Dentro de los componentes inorgánicos que tienen más importancia para el control de la calidad de las aguas residuales se mencionan los siguientes: ph: La concentración del ion hidrógeno es un parámetro de gran importancia tanto para el caso de aguas naturales como residuales. Para la adecuada proliferación y desarrollo de la mayor parte de la vida biológica existe un intervalo idóneo que es bastante estrecho y crítico. El agua residual con concentraciones inadecuadas de ph presenta dificultades de tratamiento con procesos biológicos, y el 6

16 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA efluente puede modificar la concentración del ion hidrógeno en las aguas naturales. Cloruros: Otro parámetro de calidad importante es la concentración de cloruros, las heces humanas, por ejemplo, suponen unos 6 g de cloruros por persona al día. En lugares donde la dureza del agua es elevada, los compuestos utilizados para reducir la dureza también son fuentes importantes de cloruros. La infiltración de agua subterránea en las alcantarillas constituye también una considerable fuente de cloruros y sulfatos. Azufre. El ion sulfato se encuentra de forma natural en las aguas residuales. Para la síntesis de proteínas es necesario disponer de azufre, elemento que posteriormente será liberado en el proceso de degradación de las mismas. Los sulfatos se reducen químicamente a sulfuros y a sulfuros de hidrógeno (H 2 S) bajo la acción bacteriana en condiciones anaerobias. Compuestos tóxicos. Dentro de estos se encuentran pesticidas, insecticidas y metales pesados comúnmente usados en agricultura e industria. El cobre, el plomo, la plata, el cromo, el arsénico y el boro son tóxicos en mayor o menor grado para los microorganismos. Por ejemplo, el cobre es tóxico a concentraciones de 100 mg/l en los digestores de fango, y el níquel y el cromo lo son al alcanzar valores de 500 mg/l (Metcalf y Eddy, 1995). Alcalinidad. La alcalinidad de un agua residual está provocada por la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, el magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. De entre ellos los más comunes son el bicarbonato de calcio y el 7

17 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA bicarbonato de magnesio. La alcalinidad ayuda a regular los cambios de ph producidos por la adición de ácidos. Gases. Los gases que con mayor frecuencia se encuentran en las aguas residuales brutas son el nitrógeno (N 2 ), el oxígeno (O 2 ), el dióxido de carbono (CO 2 ), el sulfuro de hidrógeno (H 2 S), el amoníaco (NH 3 ) y el metano (CH 4 ). Los tres primeros gases son de común presencia en la atmósfera y se encuentran en todas las aguas en contacto con la misma. Los tres últimos proceden de la descomposición de la materia orgánica CONTENIDO SÓLIDO DE LAS AGUAS RESIDUALES Los componentes orgánicos e inorgánicos están presentes en el agua residual en forma soluble e insoluble. En la bibliografía se definen principalmente tres tipos de sólidos: la materia en suspensión, la materia disuelta total y la materia en suspensión volátil. A la suma de materia en suspensión y materia disuelta total se le conoce como sólidos totales (ST). El límite entre los sólidos suspendidos y los sólidos disueltos se determina basándose en el tamaño de las partículas que les constituyen. De manera específica, la bibliografía menciona los siguientes cuatro tipos de fracciones de sólidos basándose en el tamaño de sus partículas: sedimentables (> de 100µm), supra coloidales (1-100µm), coloidales (1nm- 1µm) y solubles (< 1nm), (Horan, 1991). Usando este sistema de clasificación, se observa que los sólidos solubles en el agua residual comprenden gran parte del material inorgánico, mientras que el material suspendido es predominantemente orgánico. Los sólidos suspendidos llegan a representar más del 60% de la DBO de un agua residual. 8

18 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA NUTRIENTES Los nutrientes como el nitrógeno y el fósforo son, en la mayoría de los casos, los principales elementos nutritivos. Son esenciales para el crecimiento de microorganismos y plantas, razón por la cual también reciben el nombre de bio estimuladores. Debido a lo anterior, cuando el contenido de nutrientes es insuficiente para realizar las funciones metabólicas básicas de los microorganismos, es necesario añadirlos. Por el contrario, cuando se requiere el control de algas en la masa de agua receptora para preservar los usos a los que se destina, puede ser necesaria la eliminación o reducción del nitrógeno y del fósforo MICROORGANISMOS Los organismos que integran el ecosistema del agua residual urbana son principalmente: virus, bacterias, hongos, protozoarios y nematodos. El principal objetivo que tiene el examen biológico de un agua residual es determinar la presencia de microorganismos patógenos que representen un peligro para la salud humana. Los microorganismos patógenos encontrados rutinariamente en un agua residual urbana pueden proceder de desechos humanos que estén infectados y sean portadores de enfermedades intestinales como la fiebre tifoidea, la disentería, la diarrea y el cólera. Los organismos patógenos se presentan en las aguas residuales en cantidades muy pequeñas y, además, resultan difíciles de aislar e identificar. Por ello se emplean los Coliformes fecales como organismos indicadores, puesto que su presencia es más numerosa y fácil de comprobar. Las bacterias Coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter y, aparte de otras clases de bacterias, cada ser humano evacua de 100,000 a 9

19 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 400,000 millones de organismos Coliformes al día. Podemos mencionar a otros géneros de bacterias que se pueden encontrar en el agua residual bruta como Salmonella, Shigella y Vibrio cholerae. Entre los virus más comúnmente encontrados en el agua residual están los siguientes géneros: Adenovirus, Enterovirus y el virus de la Hepatitis A. Por otro lado, podemos mencionar a Crystosporidium, Entamoeba histolytica y Giardia lamblia como los agentes infecciosos más comunes entre los protozoarios. Tabla Nº 1. Parámetros comunes empleados en la caracterización de aguas residuales urbanas. Parámetro Característica Físico Sólidos totales (ST), mg/l Suspendidos volátiles Temperatura, ºC Turbiedad, NTU (a) Materia orgánica, mg O 2/l Químico Biológico ph Demanda Bioquímica de Oxigeno, DBO 5 Demanda Química de Oxigeno, DQO Alcalinidad, mg CaCO 3/l Nitrógeno, mg N/l Orgánico Fósforo, mg P/l Amoniacal, (NH 3 -N, NH 4 + -N) Nitritos, (NO 2 - -N) Nitratos, (NO 3 - -N) Orgánico Reactivo Soluble, (PO4-3 -P) Organismos Patógenos Coliformes, numero/100 ml Virus, ufc/100 ml (b) (a), unidades nefelométricas de turbiedad (b), unidades formadoras de colonias. 10

20 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3.2 SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS. El tratamiento de aguas residuales urbanas incorpora procesos físicos, químicos y biológicos los cuales tratan y remueven contaminantes producidos por la actividad diaria del hombre en el uso cotidiano del agua. El objetivo del tratamiento es producir agua residual limpia con el propósito de ser reutilizada o de ser descargada a cuerpos de aguas sin afectar el medioambiente. Como ya se dijo, las aguas residuales urbanas son generadas por residencias, instituciones y locales comerciales e industriales. Las aguas residuales pueden ser tratadas dentro del sitio en el cual se generan o también, recogidas y llevadas mediante una red de alcantarillado hasta una planta de tratamiento de agua. En la actualidad la clasificación que se puede dar a los procesos de depuración de aguas residuales urbanas es: Tabla Nº 2. Clasificación de los sistemas de depuración de aguas residuales urbanas. Nivel de Tratamiento Pre Tratamiento Primario Primario Avanzado Secundario Secundario con remoción de Nutrientes Terciario Avanzado Descripción del proceso Remoción de materia flotante de gran tamaño. Remoción de una porción de sólidos suspendidos y materia orgánica. Remoción de sólidos suspendidos y materia orgánica generalmente adicionando químicos o por filtración. Remoción de materia orgánica biodegradable y de sólidos suspendidos. Proceso de desinfección son típicamente incluidos en esta definición. Remoción de materia orgánica biodegradable, sólidos suspendidos y nutrientes (nitrógeno y fósforo). Remoción de sólidos suspendidos residuales (después del tratamiento secundario) usando filtración granular media y de micro mallas. La desinfección es un proceso típico que forma parte del tratamiento terciario. Remoción de nutrientes se llega a incluir en esta definición. Remoción de material suspendido y disuelto que permanece después de un tratamiento normal biológico, cuando se requiere para diversas aplicaciones de reutilización de agua. 11

21 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Sin embargo los tratamientos típicamente conocidos son: Tratamiento primario. Tratamiento secundario. Tratamiento terciario TRATAMIENTO PRIMARIO Y PRIMARIO AVANZADO El tratamiento primario se ocupa principalmente en la reducción de aceites, grasas, arenas y sólidos gruesos. Este tipo de tratamiento se maneja de forma mecánica. Alguna de las principales partes del tratamiento primario son las siguientes: Remoción de Sólidos: En el tratamiento mecánico, el afluente es filtrado en cámaras de rejas para remover todos los objetos grandes que son depositados en el sistema de alcantarillado, tales como, trapos, maderas, latas, frutas, papel higiénico, etc. En la remoción de estos sólidos, se usa más comúnmente, una pantalla rastrillada automatizada mecánicamente. Este tipo de basura es removida debido a que puede dañar equipos más sensibles en la planta de tratamiento de aguas residuales, además los tratamientos biológicos no están diseñados para tratar sólidos. Remoción de arena: Esta etapa incluye un canal de desarenado donde la velocidad de las aguas residuales es cuidadosamente controlada para permitir que las arenas sedimenten de forma natural. La arena y las piedras necesitan ser quitadas a tiempo en el proceso con el fin de prevenir daño en las bombas y otros equipos en las etapas restantes del tratamiento. 12

22 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Sedimentación: Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua residual se pasa a través de grandes estanques circulares o rectangulares. Estos estanques son comúnmente llamados clarificadores primarios o tanques de sedimentación primarios. El propósito principal del tratamiento primario es producir generalmente un líquido homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y de un lodo que puede ser tratado separadamente TRATAMIENTO SECUNDARIO. El tratamiento secundario es designado para degradar el contenido orgánico de las aguas residuales que se derivan de los desechos humanos, basura de comida, jabones y detergentes. La mayoría de las plantas municipales e industriales trata las aguas residuales usando procesos biológicos aeróbicos. Para que sea efectivo el proceso biótico, requiere oxígeno y un substrato en el cual vivir. En todos estos métodos, las bacterias y los protozoarios consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables (por ejemplo: azúcares, grasas, moléculas de carbón orgánico, etc.) y unen muchas de las pocas fracciones solubles en partículas llamadas flóculos. Los sistemas de tratamiento secundario son clasificados como de película fija o de crecimiento suspendido. En los sistemas fijos de película (como los filtros de roca) la biomasa crece en un medio sólido y el agua residual pasa a través de él. En el sistema de crecimiento suspendido (como lodos activados) la biomasa está bien combinada con las aguas residuales. Típicamente, los sistemas fijos de película requieren espacios más pequeños que para un sistema suspendido equivalente del crecimiento, sin embargo, los sistemas de crecimiento 13

23 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA suspendido son más capaces de recibir gran carga orgánica y a su vez generan cantidades más altas de retiro para de la DBO y los sólidos suspendidos que sistemas fijados de película. Algunos de los principales sistemas del tratamiento secundario son los siguientes: Filtros de desbaste o biofiltros: Los filtros de desbaste son utilizados para tratar particularmente cargas orgánicas fuertes o variables, típicamente industriales, para permitirles ser tratados por procesos de tratamiento secundario. Son filtros típicamente altos, filtros circulares llenados con un filtro abierto sintético en el cual las aguas residuales son aplicadas en una cantidad relativamente alta. El diseño de los filtros permite una alta descarga hidráulica y un alto flujo de aire. En instalaciones más grandes, el aire es forzado a través del medio usando sopladores. El líquido resultante está usualmente con el rango normal para los procesos convencionales de tratamiento. Lodos activados: Las plantas de lodos activados usan una variedad de mecanismos y procesos para proporcionar oxígeno disuelto y promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven substancialmente materia orgánica. También pueden atrapar partículas de material y pueden, bajo condiciones ideales, convertir amoniaco en nitrito y nitrato, y en última instancia a gas nitrógeno. Sedimentación secundaria: El paso final de la etapa secundaria del tratamiento es retirar los flóculos biológicos y producir agua tratada con bajos niveles de materia orgánica y materia suspendida. 14

24 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA TRATAMIENTO TERCIARIO. El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar la calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado al ambiente receptor (mar, río, lago, campo, etc.) Más de un proceso terciario del tratamiento puede ser usado en una planta de tratamiento. Algunas de las alternativas más importantes en el tratamiento terciario son: Filtración: Los sistemas de filtración pueden ir desde la utilización de carbón activado hasta la utilización de micro membranas o por medio de osmosis inversa. Estos métodos de filtración retiran en gran parte y de forma eficiente sólidos que pueden haber quedado después del tratamiento secundario. Remoción de nutrientes: Las aguas residuales también pueden contener altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que en ciertas formas pueden ser tóxicos para peces e invertebrados debido a que altas cantidades de estos producen lo que se llama Eutrofización. El retiro del nitrógeno o del fósforo de las aguas residuales se puede alcanzar mediante la precipitación química o por acción biológica. La remoción del nitrógeno se efectúa con la oxidación biológica del nitrógeno del amoníaco a nitrato (nitrificación que implica bacterias de los géneros, Nitrobacter y Nitrosomonas), y posteriormente mediante la reducción el nitrato es convertido al gas del nitrógeno (desnitrificación), que se lanza a la atmósfera. Estas conversiones requieren condiciones cuidadosamente controladas para permitir la formación adecuada de comunidades biológicas. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de lámina se pueden utilizar para reducir el nitrógeno. 15

25 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA El retiro del fósforo se puede efectuar biológicamente en un proceso llamado retiro biológico realzado del fósforo. En este proceso específicamente bacteriano, cuando la biomasa enriquecida se separa del agua tratada, los bio sólidos bacterianos tienen un alto valor fertilizante. El retiro del fósforo se puede alcanzar también, por la precipitación química con las sales del hierro (por ejemplo: cloruro férrico) o del aluminio (por ejemplo: alumbre). El lodo químico que resulta, sin embargo, es difícil de operar, pero en comparación del retiro biológico la precipitación química es más práctica. Desinfección: El propósito de la desinfección en el tratamiento de las aguas residuales es reducir sustancialmente el número de organismos vivos en el agua que se descargará nuevamente dentro del ambiente. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua que es tratada (por ejemplo: turbiedad, ph, etc.), del tipo de desinfección que es utilizada, además de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo), y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito puesto que la materia sólida puede blindar organismos, especialmente de la luz ultravioleta y principalmente si los tiempos del contacto son bajos. Generalmente, tiempos de contacto cortos, dosis bajas y altos flujos influyen en contra de una desinfección eficaz. Los métodos comunes de desinfección incluyen el ozono, el cloro y la luz ultravioleta (UV). Dentro de la desinfección, el método más usado es el de la cloración del efluente que sale de la planta de tratamiento, principalmente debido al bajo costo que éste tiene y al nivel de eficacia que presenta, sin embargo el cloro al contacto con material orgánico puede producir compuestos organoclorados que son muy peligrosos. 16

26 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3.3 GENERALIDADES DE LA PRECIPITACIÓN QUÍMICA La precipitación química en el tratamiento de las aguas residuales lleva consigo la adición de productos químicos con la finalidad de alterar el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, y de facilitar su eliminación por sedimentación. En algunos casos, la alteración es pequeña, y la eliminación se logra al quedar atrapado dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el propio coagulante. Otra consecuencia directa de la adición de químicos es el incremento neto en los constituyentes disueltos del agua residual. Los procesos químicos, junto con algunas de las operaciones físicas unitarias, se han desarrollado para proporcionar un tratamiento secundario completo a las aguas residuales no tratadas, incluyendo la eliminación del nitrógeno, del fósforo, o de ambos a la vez. También se han desarrollado otros procesos químicos para la eliminación del fósforo por precipitación química, y están pensados para su utilización en combinación con procesos de tratamiento biológico. En el pasado, la precipitación química se empleaba para mejorar el grado de eliminación de sólidos en suspensión y de la DBO en los siguientes casos: (1) cuando se producían variaciones estacionales en la concentración de agua residual; (2) cuando se requería un tratamiento intermedio y (3) como ayuda en el proceso de sedimentación, (Metcalf y Eddy, 1995) PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN Las partículas en suspensión de una fuente de agua superficial provienen de la erosión de suelos, de la disolución de sustancias minerales y de la descomposición de sustancias orgánicas. A este aporte natural se debe adicionar las descargas de desagües domésticos, industriales y agrícolas. En general la turbiedad del agua es causada por las partículas de materias 17

27 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA inorgánicas (arcillas, partículas de lodo), en tanto que el color está formado por las partículas de materias orgánicas e hidróxidos de metal como por ejemplo de hierro TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN. Las partículas se clasifican de acuerdo a su tamaño; así las partículas con diámetro inferior a 1 micrómetro (µm) que corresponden a partículas de materias orgánicas o inorgánicas, se depositan muy lentamente. La tabla N 3, indica los tiempos de decantación de las diferentes partículas en función de: sus dimensiones; densidad y de la temperatura del agua. Tabla Nº 3. Tiempos de decantación de partículas. Tipo de Partículas Diámetro (mm) Tiempo de Caída Densidad 2.65 Densidad 1.1 Grava seg 0.2 seg Arena Gruesa seg 20.9 seg Arena Fina seg min Lodo Fino hrs 58 hrs Bacterias d d Coloides a d Se observa fácilmente que a la misma densidad, las partículas más pequeñas tienen un tiempo de duración de caída más grande, esto imposibilita la decantación sin la adición de un factor externo. Los Coloides son suspensiones estables, por lo que es imposible su sedimentación natural, son sustancias responsables de la turbiedad y del color del agua. Los sistemas coloidales presentan una superficie de contacto inmensa entre la fase sólida y la fase líquida, por ejemplo 1 cubo de 1 cm 3, tiene una superficie total de 6 cm 2 ; si está dividido en pequeños cubos elementales, la superficie total de todos aquellos es mucho más grande. 18

28 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA AFINIDAD DE LAS PARTÍCULAS COLOIDALES POR EL AGUA Las partículas coloidales se caracterizan por ser hidrofílicos (tienen afinidad por el agua) e hidrófobos (es decir que rechazan al agua), los primeros se dispersan espontáneamente dentro del agua y son rodeados de moléculas de agua que previenen todo contacto posterior entre estas partículas; las partículas hidrofóbicas no son rodeados de moléculas de agua, su dispersión dentro del agua no es espontáneo por lo que requiere de la ayuda de medios químicos y físicos. Las partículas hidrófobas son en general partículas de materias inorgánicas mientras que las hidrofílicas son materias orgánicas; en realidad solo una fracción de las partículas son exclusivamente hidrofílicas o hidrofóbicas; se obtienen más bien partículas hidratadas a los diferentes grados. La carga eléctrica y la capa de agua que rodean las partículas hidrófilas tienden a desplazar las partículas unas de otras y, en consecuencia los estabiliza entro de la solución CARGA ELÉCTRICA Y DOBLE CAPA Dentro del Agua Superficial, las partículas coloidales, son las causantes de la turbiedad y del color por lo que el tratamiento del agua está orientado a la remoción de estas partículas; estas poseen normalmente una carga eléctrica negativa situada sobre su superficie. Estas cargas llamadas cargas primarias, atraen los iones positivos del agua, los cuales se adhieren fuertemente a las partículas y atraen a su alrededor iones negativos acompañados de una débil cantidad de iones positivos. 19

29 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Fig. N 1.- Doble capa de una partícula Coloidal. Los iones que se adhieren fuertemente a la partícula y se desplazan con ella, forman la capa adherida o comprimida, mientras que los iones que se adhieren débilmente constituyen la capa difusa, por lo tanto hay un gradiente o potencial electrostático entre la superficie de la partícula y la solución, llamado Potencial Zeta FACTORES DE ESTABILIDAD E INESTABILIDAD Las partículas coloidales están sometidas a dos grandes de fuerzas: Fuerzas de atracción de Van der Waals: E a (factores de Inestabilidad); son fuerzas de atracción producidas por el movimiento continuo de las partículas. Fuerzas de repulsión electrostáticas: E b (factor de estabilidad); son fuerzas que impiden la aglomeración de las partículas cuando estas se acercan unas a otras; por ejemplo 2 partículas de igual signo no se pueden aproximar, estas se rechazan. 20

30 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Fig. N 2.- Estabilidad de Coloides. El equilibrio de una suspensión coloidal dependen de la fuerza resultante entre la fuerza de atracción y la fuerza de repulsión es igual a E r : E r = E a + E b COAGULACIÓN El objetivo principal de la coagulación es desestabilizar las partículas coloidales que se encuentran en suspensión, para favorecer su aglomeración; en consecuencia se eliminan las materias en suspensión estables; la coagulación no sólo elimina la turbiedad sino también la concentración de las materias orgánicas y los microorganismos. La 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 se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas de la superficie del coloide permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos. 21

31 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Fig. N 3.- Anulación de Cargas Eléctricas. La coagulación es el tratamiento más eficaz pero también es el que representa un gasto elevado cuando no está bien realizado. Es igualmente un método universal porque elimina una gran cantidad de sustancias de diversa naturaleza y peso. El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificados. Por lo tanto 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. La adición de un coagulante neutraliza las cargas, produciendo el colapso de la "nube de iones" que rodean los coloides de modo que puedan aglomerarse, esta forma de aglomeración es llamada floculación Etapas o Fases de la Coagulación El proceso de coagulación se desarrolla en un tiempo muy corto (casi instantáneo), en el que se presenta las siguientes etapas. Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas en suspensión. Formación de Compuestos químicos poliméricos. Adsorción de cadenas poliméricas por los coloides. 22

32 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Adsorción mutua de coloides. Acción de barrido. Fig. N 4.- Primera y Segunda fase de la coagulación Fig. N 5.- Tercera y cuarta fase de la coagulación 23

33 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Tipos de Coagulación Se presentan dos tipos básicos de coagulación: Por Adsorción y Por Barrido. 1. Coagulación Por Adsorción: Se presenta cuando el agua presenta una alta concentración de partículas al estado coloidal; cuando el coagulante es adicionado al agua turbia los productos solubles de los coagulantes son absorbidos por los coloides y forman los flóculos en forma casi instantánea. Fig. N 6.- Coagulación por adsorción 2. Coagulación por Barrido.- Este tipo de coagulación se presenta cuando el agua es clara (presenta baja turbiedad) y la cantidad de partículas coloides es pequeña; en este caso las partículas son entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado de sulfato de aluminio o cloruro férrico. 24

34 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Fig. N 7.- Coagulación por barrido Principios básicos en el uso de coagulantes La turbiedad y el color del agua son principalmente causados por partículas muy pequeñas, llamadas partículas coloidales. Estas partículas permanecen en suspensión en el agua por tiempo prolongado y pueden atravesar un medio filtrante muy fino. Por otro lado aunque su concentración es muy estable, no presentan la tendencia de aproximarse unas a otras. Para eliminar estas partículas se recurre a los procesos de coagulación y floculación, la coagulación tiene por objeto desestabilizar las partículas en suspensión es decir facilitar su aglomeración. En la práctica este procedimiento es caracterizado por la inyección y dispersión rápida de productos químicos. La floculación tiene por objetivo favorecer con la ayuda de la mezcla lenta el contacto entre las partículas desestabilizadas. Estas partículas se aglutinan para formar un floc que pueda ser fácilmente eliminado por los procedimientos de decantación y filtración. Es muy importante que los procedimientos de coagulación y floculación sean utilizados correctamente, ya que la producción de un floc muy pequeño o muy ligero produce una decantación insuficiente; mientras que el agua que llega a los 25

35 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA filtros contienen una gran cantidad de partículas de floc que rápidamente ensucian los filtros y necesitan lavados frecuentes. Por otro lado cuando el floc es frágil, este se rompe en pequeñas partículas que pueden atravesar el filtro y alterar la calidad del agua producida Mecanismo de la Coagulación La desestabilización se puede obtener por los siguientes mecanismos fisicoquímicos: Compresión de la doble capa. Adsorción y neutralización de cargas. Agrupamiento de partículas en un precipitado. Adsorción y puente Compresión de la Doble Capa Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión, cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y cae rápidamente con el incremento de iones de carga opuesta al de las partículas, esto se consigue sólo con los iones del coagulante, como se muestra en la figura N 8. Existe por otro lado un potencial de atracción o fuerzas de atracción E a, 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. 26

36 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Fig. N 8.- Fuerza de Atracción y Repulsión. Si la distancia que separa a las partículas es superior a L, entonces las partículas, no se atraen. E es la energía que los mantiene separados. Contrariamente a las fuerzas de repulsión, las fuerzas de Van der Walls no son afectados por las características de la solución Absorción y Neutralización de Cargas Las partículas coloidales poseen carga negativa en su superficie, 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 o potencial ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción mutua. Después de la teoría de la doble capa la coagulación es 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 re estabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar debido 27

37 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA a que el exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula, produciendo una carga invertida a la carga original Agrupamiento 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 Al 2 (SO 4 ) 3, o Cloruro Férrico FeCl 3, 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. Fig. N 9.- Agrupamiento de Partículas en un Floc 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 28

38 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 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 re estabilización de la suspensión, por una excesiva carga de polímeros. Tabla Nº 4.Clasificación del agua, según su comportamiento en la coagulación Tipo de Agua Tipo de Coagulación Requerimiento Baja concentración de coloides, baja alcalinidad Baja concentración de coloides, alta alcalinidad Alta concentración de coloides, baja alcalinidad Alta concentración de coloides, alta alcalinidad Formación de precipitado Floc de barrido Formación de precipitado Floc de barrido Adsorción de polímeros metálicos positivos, en la superficie de los coloides. (ph 4 a 7). Adsorción de polímeros metálicos positivos, y precipitaciones de hidróxido (ph > 7) Alta dosis de coagulantes. Adición de alcalinidad o partículas, o ambas. Alta dosis de coagulantes. Adición partículas. Dosis de coagulantes incrementa con concentración de partículas, adición de alcalinidad Dosis de coagulantes incrementa con concentración de partículas Zonas de coagulación La aplicación de una dosis creciente del coagulante al agua presenta diferentes zonas de coagulación: Zona 1: La dosis de coagulante no es suficiente para desestabilizar las partículas y por lo tanto no se produce coagulación. Zona 2: Al incrementar la dosis de coagulantes, se produce una rápida aglutinación de los coloides. 29