PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA

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1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA Nombre del alumno(s): Nombre del Profesor(es): Nombre del Ayudante: Semestre: Año:

2 2

3 Objetivo Desarrollar en los alumnos las capacidades para definir una estrategia operacional en un tratamiento físicoquímico por lotes de aguas residuales que permita obtener elevados porcentajes de remoción de sólidos suspendidos totales, a través de la selección y determinación de dosis de coagulantes y floculantes en pruebas de jarras con un agua residual sintética, bajo condiciones típicas de tiempo y grado de mezclamiento. Materiales: - Agua residual: efluente industrial sintético con alto contenido de sólidos suspendidos totales, preparado con jugo de durazno marca Watts diluido 1:25. - Coagulantes a evaluar: cloruro férrico y sulfato de aluminio. Se prepara para cada coagulante una solución stock con una concentración de 50 g/l. - Floculantes a evaluar: CCP 996A de Alquimia (floculante catiónico) y NC 030 de Alquimia (floculante no catiónico). Se prepara para cada floculante una solución stock con una concentración de 500 mg/l. - Vasos precipitados de vidrio: Se requiere disponer de vasos de precipitados de 250 ml en número igual al número de condiciones de tratamiento a evaluar en paralelo. - Varilla para agitar. - Probeta de 1 L para pruebas de fragilidad del lodo obtenido. Equipamiento: - Equipo para Pruebas de Jarra con vasos de vidrio de 1 L. Etapa 1. Preselección de coagulante y floculante Procedimiento: Preselección del coagulante: En cada ensayo, a un vaso de precipitado con 200 ml de agua residual se le adiciona un coagulante a una dosis determinada. Luego, la mezcla se agita vigorosamente con una varilla por aproximadamente 5 minutos y se deja reposar. Las dosis de las soluciones stock de cloruro férrico y sulfato de aluminio a evaluar son 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 y 3 ml (concentraciones de coagulante en el agua residual entre 125 a 750 mg/l). Se realizan un total de 12 ensayos. Para que todos los ensayos se lleven a cabo correctamente se deben agitar en forma similar, es decir igual tiempo y velocidad de agitación. A continuación se realiza una preselección a través de una evaluación visual y cualitativa de los tratamientos, en base a los siguientes parámetros: volumen, color y turbidez del clarificado; tiempo de coagulación y grado de resuspensión de los coágulos sedimentados formados al agitar suavemente el vaso precipitado. Para ello completar la Ficha 1. 3

4 Ficha 1. Preselección de tipo y dosis de coagulante N Ensayo Tipo coagulante Dosis (ml) Procedimiento: Seleccionar visualmente el mejor coagulante y descartar el otro coagulante (se continúa con 6 ensayos). Asignar a cada atributo una ponderación, tal que la suma de todos los atributos sea igual a 1. Considerando que los atributos más valorados en el proceso de coagulación son el obtener un alto porcentaje de volumen clarificado con una baja turbidez. Calificar cada uno de los atributos de cada ensayo de 6 a 1, siendo la mejor calificación el número 6 y la peor el número 1. En caso de que un atributo sea calificado para dos o más ensayos iguales repita la calificación. Determinar la calificación total de cada ensayo sumando las calificaciones ponderadas de cada atributo. Se seleccionan los dos mejores ensayos, para continuar con la selección de tipo y dosis de floculante. Atributo Volumen clarificado Color clarificado Turbidez clarificado Tiempo coagulación Grado resuspensión coágulos Calificación total Ponderación atributo Ensayos con coagulante seleccionado N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: Observaciones Ensayos seleccionados: N.. y N.. 4

5 Preselección del floculante: La preselección del floculante se realiza para los dos tratamientos de coagulación seleccionados anteriormente. Se evalúan dos floculantes cada uno a tres dosificaciones diferentes, es decir se realizan un total de 12 ensayos. Para cada ensayo se realiza nuevamente el proceso de coagulación, y se adiciona el floculante a una dosis determinada cuando se ha observado que los coágulos se han formado. La mezcla del floculante con el agua residual coagulada se realiza en forma manual, agitando suavemente, por aproximadamente 2 a 15 minutos, con una varilla de forma de evitar que se rompan los flóculos formados, y luego se deja reposar. Para que los ensayos se lleven a cabo correctamente el mezclamiento de todos ellos debe ser similar. Las dosis de las soluciones stock de los tres floculante a evaluar son 1,0; 1,5 y 2,0 ml (concentraciones de floculante en el agua residual entre 2 y 5 mg/l). A continuación se realiza una preselección a través de una evaluación visual y cualitativa de los tratamientos, en base a los siguientes parámetros: volumen clarificado, turbidez del clarificado, tiempo de sedimentación, tamaño flóculos y grado de resuspensión de los flóculos sedimentados al agitar suavemente el vaso precipitado. Para ello completar la Ficha 2. 5

6 Ficha 2. Preselección de tipo y dosis de floculante N Ensayo Coagulante Tipo: Floculante Dosis (ml) Tipo Dosis (ml) Procedimiento: Seleccionar visualmente el mejor floculante y descartar el otro floculante (se continúa con 6 ensayos). Asignar a cada atributo una ponderación, tal que la suma de todos los atributos sea igual a 1. Considerando que los atributos más valorados en el proceso de floculación son el obtener un alto porcentaje de volumen clarificado con una baja turbidez y un corto tiempo de sedimentación de los flóculos formados. Calificar cada uno de los atributos de cada ensayo de 6 a 1, siendo la mejor calificación el número 6 y la peor el número 1. En caso de que un atributo sea calificado para dos o más ensayos iguales repita la calificación. Determinar la calificación total de cada ensayo sumando las calificaciones ponderadas de cada atributo. Se seleccionan los dos mejores tratamientos, para continuar con las pruebas de jarra. Atributo Volumen clarificado Turbidez clarificado Tiempo sedimentación Tamaño flóculos Grado resuspensión flóculos Calificación total Ponderación atributo Ensayos con floculante seleccionado N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: N ensayo: Observaciones Ensayos seleccionados: N.. y N.. 6

7 Etapa 2. Selección del tratamiento de coagulación y floculación mediante Pruebas de Jarra (Jar Test) Procedimiento: Tratamiento físico-químico mediante Pruebas de Jarra: El ensayo de Pruebas de Jarra se realiza para los dos mejores tratamientos seleccionados en la Etapa 1, siguiendo el siguiente protocolo: a) Agregar 800 ml de agua residual a un vaso del equipo para realizar las pruebas de jarra. b) Agregar el coagulante, en la dosis deseada, y agitar hasta la visualización de los coágulos (alrededor de 3 minutos a rpm). Registrar el tiempo de formación de coágulos y las observaciones que estime relevantes. c) Agregar el floculante y disminuir la velocidad de agitación a 30 rpm (15 45 rpm) por un tiempo adecuado en el que se aprecie claramente la formación de los flóculos (2 15 minutos). Registrar el tiempo de formación de flóculos y las observaciones que estime relevantes. d) Detener la agitación y observar la sedimentación del lodo, manteniendo la muestra en reposo en el vaso del equipo. Una vez sedimentado el lodo, registrar el volumen de lodo sedimentado y el tiempo requerido para su sedimentación. Identificar el tipo de sedimentación observada (tipo I, II o III). e) Evaluar la fragilidad del lodo al traspasar el contenido del vaso a una probeta de 1 L. Al agua residual no tratada y a los clarificados obtenidos luego de las Pruebas de Jarra, se les determinan los parámetros físico-químicos indicados en la Tabla 1. Tabla 1. Análisis a realizar al agua residual y a los clarificados obtenidos de las Pruebas de Jarra Metodología Agua residual no tratada Agua clarificada Sólidos suspendidos NCh 2313/3.Of95 X X totales Turbidez Método Hach X X Conductividad NCh417.Of63 X X ph X X Completar Ficha 3. Estimar los siguientes caudales para el tratamiento físico-químico continuo que se realizará en el Práctico 2, alimentado con un caudal de agua residual de 500 ml/min: - Caudal a dosificar de soluciones stock de coagulante: ml/min - Caudal a dosificar de soluciones stock de floculante: ml/min - Caudal de purga de lodos: ml/min 7

8 Ficha 3. Selección del tratamiento físico-químico Tipo coagulante: Tipo floculante: Dosis coagulante (ml/l agua residual) Concentración coagulante en agua residual (mg/l) Dosis floculante (ml/l agua residual) Concentración floculante en agua residual (mg/l) Ensayo N 1 Ensayo N 2 Procedimiento: Analizar y discutir el efecto de los dos tratamientos aplicados sobre los diferentes parámetros físicoquímicos medidos y como se relacionan entre sí. Seleccionar el mejor para ser aplicado al tratamiento continuo del agua residual que se realizará en el Práctico 2. Resultados de mediciones: Parámetros físico-químicos Unidad Agua residual Ensayo N 1 Ensayo N 2 Tiempo de coagulación Tiempo floculación Volumen de lodos % Volumen clarificado Tipo de sedimentación Fragilidad lodos Conductividad Sólidos suspendidos totales Turbidez % Remoción sólidos suspendidos totales % Remoción turbidez ph Observaciones: Ensayo seleccionado: N. 8

9 Objetivo Desarrollar en los alumnos las capacidades para realizar una puesta en marcha y seguimiento de un proceso físico-químico continuo de aguas residuales a través de ensayos a escala laboratorio en un equipo similar a uno industrial, empleando un efluente sintético, las dosis de coagulante y floculante seleccionadas en las Pruebas de Jarra y dos tiempos de retención hidráulica (TRH). Etapa 1. Estudio de la coagulación y floculación en un sistema continuo Descripción del sistema coagulación-floculación-sedimentación: El equipo de coagulación-floculación-sedimentación (CFS) que se utiliza es un prototipo de uno a escala industrial (ver Figura 1). Posee una cámara de coagulación de 4 L (dimensiones 20 x 20 x10 cm 3 ) y una cámara de floculación de 13,32 L (dimensiones 20 x 20 x 33,3 cm 3 ), las que se encuentran comunicadas por fondo. Para la clarificación del agua residual tratada dispone de un sedimentador lamelar de 11,32 L con 10 lamelas que se pueden desmontar fácilmente. El traspaso del agua coagulada y floculada al sedimentador se realiza a una altura intermedia del sedimentador evitando que se destruyan los flóculos formados. Por tope del sedimentador existe un vertedero cuyo propósito es retener los sólidos suspendidos que pudieran flotar y así obtener un buen clarificado. Existe una salida de lodos por fondo del sedimentador cuyo caudal se regula a través de una válvula. Cámara Floculación Cámara Coagulación Sedimentador lamelar Purga lodos Salida clarificado Figura 1. Vista del equipo del equipo de coagulación-floculación-sedimentación continuo 9

10 Equipamiento auxiliar: - Agitador mecánico con hélice marina que se ubica en la cámara de coagulación. - Agitador mecánico con hélice Rushton que se ubica en la cámara de floculación. - Bomba de alimentación de agua residual con variación de caudal y que sea capaz de entregar un caudal de hasta 1 L/min - Bomba dosificadora de coagulante con variación de caudal y que sea capaz de entregar un caudal de hasta 10 ml/min. - Bomba dosificadora de floculante con variación de caudal y que sea capaz de entregar un caudal de hasta 10 ml/min. Modo de operación: El agua residual y el coagulante se alimentan por tope a la cámara de coagulación mediante bombas, en donde la mezcla se agita a una velocidad de alrededor de 110 rpm ( rpm) con el agitador mecánico dispuesto en esta cámara. El agua residual coagulada ingresa por fondo a la cámara de floculación, y el floculante es alimentado por tope mediante una bomba. La mezcla es agitada suavemente por el agitador dispuesto en esta cámara el que opera a una velocidad de alrededor de 30 rpm (15-45 rpm). El agua residual coagulada y floculada es sedimentada en el sedimentador lamelar obteniéndose por tope el agua clarificada y por fondo el lodo. En la Figura 2 se muestra un esquema del sistema de coagulaciónfloculación-sedimentación. Agua residual Coagulante Floculante Clarificado Lodos Cámara coagulación Cámara floculación Sedimentador lamelar Figura 2. Esquema de operación del equipo de coagulación-floculación-sedimentación continuo Montaje, puesta en marcha y seguimiento del sistema de CFS: 1. Preparar el agua residual de igual manera que el indicado en el Práctico Montar y ajustar la bomba de alimentación del agua residual a 500 ml/min. 3. Montar y ajustar las bombas dosificadoras de coagulante y de floculante de acuerdo a dosificaciones determinadas en las Pruebas de Jarra (Práctico 1). 4. Montar agitadores mecánicos y ajustar sus velocidades de agitación. 5. Llenar el equipo de CFS a tope con el agua residual. 6. Iniciar la alimentación del agua residual, de coagulante y de floculante, cronometrando toda la operación. 10

11 7. Regular el caudal de salida de fondo del sedimentador, de tal manera que su flujo permita que no se acumule lodo. 8. Para realizar el seguimiento del proceso medir cada 10 minutos conductividad, ph y turbidez del clarificado. Ver metodología en Tabla 2 y completar Ficha Una vez alcanzado el estado estacionario, es decir cuando los parámetros medidos en el punto anterior se mantienen constantes, proceder a determinar los caudales del clarificado y de la corriente de lodos. Tomar muestras de clarificado y de lodos para determinar los análisis indicados en la Tabla 2. Completar Ficha Modificar el flujo de alimentación (TRH) manteniendo la dosificación de coagulante y floculante y repetir el procedimiento desde el punto 7. Completar Ficha 6 y 7. Discutir cómo afecta la calidad del clarificado y del lodo obtenido la variación de este caudal. 12. Una vez terminado el proceso, corte la bomba de alimentación, así como también las de dosificación. Desenchufe los agitadores y retire todo aparato eléctrico antes de retirar el agua residual por la zona de purga de lodo. Tabla 2. Análisis a realizar al agua residual, clarificado y lodo en estado estacionario Metodología Agua residual no tratada Agua clarificada Lodo Turbidez Método Hach X X Conductividad NCh417.Of63 X X % Caudal clarificado X Sólidos suspendidos NCh 2313/3.Of95 X X X totales DQO total Standard Methods for X X Wastewater 5220C DQO filtrado Standard Methods for X X Wastewater 5220C ph X X 11

12 Durante el desarrollo de la experiencia, responda y complete el siguiente cuestionario: 1. Como puedo medir los caudales de entrada y salida del proceso? 2. Como puedo regular los caudales de la purga de lodo y del clarificado, para optimizar el proceso? 3. Porque cree usted que es importante evitar que se acumule lodo en el sedimentador? 4. Qué haría usted para evitar que se acumule lodo en el sedimentador? 5. Qué cree usted que pasaría si se apaga o se modifica la agitación en el floculador? 6. Qué cree usted que pasaría si se retiran 5 lamelas (una de por medio) del sedimentador? 7. Le parece adecuado la manera en que se realiza el seguimiento del comportamiento del proceso? 8. Identifique los problemas que se generan en la operación del equipo, indicando como se pueden solucionar. 9. Que sugerencias realizaría usted para mejorar el tratamiento físico-químico del agua residual? 12

13 Ficha 4. Seguimiento del proceso físico-químico continuo alimentado con 500 ml/min de agua residual Tiempo ( ) Conductividad ( ) ph Turbidez ( ) Observaciones: Tiempo requerido para alcanzar estado estacionario: 13

14 Ficha 5. Resultados obtenidos del tratamiento físico-químico alimentado con 500 ml/min de agua residual en estado estacionario Parámetro de operación Caudal coagulante (ml/min) Caudal floculante (ml/min) TRH en cámara coagulación (min) TRH en cámara coagulación (min) valor Resultados de mediciones: Parámetros físico-químicos Unidad Agua residual Clarificado Lodo Caudal % Caudal clarificado Conductividad DQO total DQO filtrado Sólidos suspendidos totales Turbidez % Remoción de DQO total % Remoción de DQO filtrado % Remoción sólidos suspendidos totales % Remoción turbidez ph Observaciones: 14

15 Ficha 6. Seguimiento del proceso físico-químico continuo alimentado con.. ml/min de agua residual Tiempo ( ) Conductividad ( ) ph Turbidez ( ) Observaciones: Tiempo requerido para alcanzar estado estacionario: 15

16 Ficha 7. Resultados obtenidos del tratamiento físico-químico alimentado con. ml/min de agua residual en estado estacionario Parámetro de operación Caudal coagulante (ml/min) Caudal floculante (ml/min) TRH en cámara coagulación (min) TRH en cámara coagulación (min) valor Resultados de mediciones: Parámetros físico-químicos Unidad Agua residual Clarificado Lodo Caudal % Caudal clarificado Conductividad DQO total DQO filtrado Sólidos suspendidos totales Turbidez % Remoción de DQO total % Remoción de DQO filtrado % Remoción sólidos suspendidos totales % Remoción turbidez ph Observaciones: 16

17 Resumen (Máximo 1 página) Indicar una breve reseña del trabajo realizado, los principales resultados y las conclusiones más relevantes. Discusión Los resultados deben ser analizados críticamente, comparándolos cuando corresponda con la teoría, resultados encontrados en bibliografía y normativas ambientales. Conclusiones Se debe entregar las conclusiones que emanen del trabajo experimental realizado y de la discusión realizada a los resultados del trabajo experimental. Bibliografía Las citas bibliográficas presentadas en la sección de Discusión deben estar correctamente referenciadas. Anexos Se incluyen los ejemplos de cálculos analíticos. 17

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