EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE MEZCLADO, PUNTO DE ADICIÓN DE COAGULANTE Y FLOCULANTE EN LA EFICIENCIA DE UN TRATAMIENTO PRIMARIO AVANZADO

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1 EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE MEZCLADO, PUNTO DE ADICIÓN DE COAGULANTE Y FLOCULANTE EN LA EFICIENCIA DE UN TRATAMIENTO PRIMARIO AVANZADO Chávez Mejía Alma, Jiménez Cisneros Blanca Instituto de Ingeniería, UNAM Apdo. postal , C.P México, D. F. RESUMEN La Ciudad de México tratará sus aguas residuales para controlar el problema de contaminación por su empleo desde hace más de 100 años en irrigación del Valle del Mezquital. Los objetivos del tratamiento son eliminar los Huevos de Helmintos y preservar las propiedades fertilizantes del agua (N, P y DQO). Para este propósito, con el objeto de demostrar la factibilidad del Tratamiento Primario Avanzado (TPA), se construyó una planta piloto de 70 L/s donde se realizaron pruebas con tres coagulantes y varios polímero aniónico, empleando las mejores condiciones obtenidas en pruebas de jarras. Las variables de operación trabajadas fueron: concentración, tipo y punto de adición de coagulante y floculante. Las mejores eficiencias se obtuvieron con sulfato de aluminio (50 mg/l) logrando un 69% de remoción de SST. Con el uso de 50 mg/l de cloruro férrico se obtiene un 63% y un 47% cuando se emplea la cal (250 mg/l). Para evaluar el punto de adición, sólo se empleó sulfato de aluminio en 11 situaciones diferentes, de las cuales el mejor resultado se obtuvo al adicionar el coagulante en el tanque de mezcla rápida y el floculante en la tercera cámara de floculación; reduciendo los SST de 197 mg/l en el influente a 56 mg/l a la salida con un 71% de remoción y 30% para la DQOt. Al eliminar las cámaras de coagulación y floculación se obtienen eficiencias similares pero el costo de inversión inicial es considerablemente menor. Palabras clave: coagulación-floculación, tratamiento primario avanzado ANTECEDENTES Para tratar el agua residual de la Ciudad de México se construirán 4 plantas de tratamiento con una capacidad total de 74.5 m 3 /s. El agua tratada se continuará empleando para irrigar 85,000 ha de cultivos en las zonas de Chiconautla, Zumpango y Tula. Actualmente, con el uso de agua cruda para riego el incremento de la productividad se encuentra por arriba de la media nacional (150%), sin embargo los problemas de salud son también 13 veces mayores comparados con los pobladores de la zona que no tienen contacto con el agua residual. Ante la magnitud del proyecto, la operación de una planta piloto es sin duda una actividad esencial para ayudar al correcto dimensionamiento de una planta, certificar el logro de los objetivos de tratabilidad deseados y demostrar la viabilidad del proceso en forma continua. La planta piloto consistió en un sistema de 70 L/s ubicado en el km 20 de Gran Canal donde se empleó el Tratamiento Primario Avanzado el cual consiste en la adición de compuestos químicos para eliminar sólidos suspendidos y materia orgánica, principalmente suspendida. Este proceso ha sido empleado exitosamente en países como Noruega y Suecia (Karlsson, 1985), Francia (Shao et al., 1993), España y en algunos lugares de Estados Unidos (Harleman et al., 1991) y es muy útil cuando existe una gran variabilidad del afluente en términos de calidad y cantidad o cuando el efluente es destinado al reúso agrícola, como el caso de la Ciudad de México.

2 El tratamiento de las aguas del drenaje del Área Metropolitana de la Ciudad de México debe tener como propósito fundamental la desinfección, con el doble propósito de proteger la salud de la población de la zona y de levantar restricciones a los cultivos en beneficio de la economía local. Asimismo, conviene que el tratamiento remueva lo menos posible la materia orgánica y los nutrientes del agua, para evitar reducir en lo posible, sus propiedades fertilizantes para la producción agrícola. DESCRIPCIÓN DEL MODELO FÍSICO La planta piloto (Fig 1) cuenta con un tanque de preparación dividido en tres cámaras, un tanque de mezcla rápida, tres cámaras de floculación y un sedimentador rectangular. La Tabla 1 presenta las condiciones de operación. La primera etapa de operación consistió en que la planta funcionó con el tanque de preparación, la mezcla rápida y cámara de floculación. En este caso se estudio el efecto de tres diferentes coagulantes: Cloruro férrico, Sulfato de Aluminio e Hidróxido de calcio, combinados con distintos polielectrólitos aniónicos de alto peso molecular (Nalcomex 2144 y 7179, Prosifloc A-252 y Vitro PQA-01) en concentraciones que variaron entre 0.1 a 0.8 mg/l. En la segunda etapa, se aplicó el coagulante y floculante en diversos puntos del sistema, para lo cual se utilizó únicamente Sulfato de aluminio (diferentes dosis) con 2 polielectrólitos ( Vitro PQ-01 y Prosifloc A-252 con varias dosis). La diferencia más importante en esta etapa fue la eliminación de las cámaras (tanques de coagulación y floculación), empleando solamente el sistema de preparación para aplicar el coagulante. Los puntos de adición de coagulante fueron varios mientras que el floculante siempre se dosificó a la entrada del tanque de sedimentación a través de un by-pass. Posteriormente, se hizo un cambio para añadir el polielectrólito en el tanque de mezcla rápida sin agitación mecánica. La Tabla 2 presenta los diversos puntos de aplicación de coagulante y floculante en cada etapa.

3 Tabla 1 Condiciones de operación PERÍODO COAGULANTE FLOCULANTE TIPO DOSIS (mg/l) TIPO DOSIS (mg/l) I 1 O de enero - 31 de enero FeCl 3 50 Nalcomex 7179 Nalcomex , 0.4, , 0.8 II 1 O febrero -14 de marzo Al 2 (SO 4 ) 3 50,40 Prosifloc A III 15 de marzo al 2 de abril Ca(OH) 2 200, 225, 250 Prosifloc A IV 3 de abril - 20 de mayo FeCl 3 NaClO+FeCl 3 Fe 2 SO 4 +Cl 2 +FeCl 3 Fe 2 SO 4 +Cl 2 +FeCl Prosifloc A-252 Prosifloc A-252 Prosifloc A-52 Prosifloc A V 21 de mayo - 26 de junio Al 2 (SO 4 ) 3 VITRO A-01 40, 45, VI 50, de junio -28 de octubre Al 2 (SO 4 ) 3 Prosifloc A-252 y Vitro PQA-01.25, , , 0.35, 0.4, 0.5 Tabla 2 Condiciones de operación durante el seguimiento de planta piloto CONDICIÓN PUNTOS DE APLICACIÓN PARA EL COAGULANTE Y FLOCULANTE 1 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida. Aplicación de floculante en la tercera cámara de floculación. 2 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida. Aplicación de floculante en la primera cámara de preparación. 3 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida. Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass). 4 Aplicación de coagulante al final de la tercera cámara de preparación. Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass). 5 Aplicación del coagulante a la mitad de la tercera cámara de preparación. Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass) 6 Aplicación de coagulante al final de la segunda cámara de preparación. Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass). 7 Aplicación de coagulante al inicio de la tercera cámara de preparación. Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass). 8 Aplicación de coagulante a la mitad de la segunda cámara de preparación. Aplicación del floculante en la entrada del sedimentador (by-pass). 9 Aplicación de coagulante al inicio de la tercera cámara de preparación. Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida. 10 Aplicación de coagulante al final de la segunda cámara de preparación. Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida.

4 11 Aplicación de coagulante a la mitad de la tercera cámara de preparación. Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida. Los parámetros de seguimiento se realizaron de acuerdo con los Métodos Estándar (APHA, AWWA, WEF, 1995) y fueron: Sólidos Suspendidos Totales (mg/l), Sólidos Suspendidos Volátiles (mg/l), Sólidos Suspendidos Fijos (mg/l), ph, Demanda Química de Oxígeno total (mg/l), Conductividad (µmhos/cm), Turbiedad (UTN), Color (Pt-Co), Huevos de Helmintos (HH/L) Coliformes fecales (NMP/100 ml), Nitrógeno total Kjeldal (mg/l) y P-PO 4 (mg/l). Debido a la relación entre SST y concentración de Huevos de Helmintos, la evaluación de la eficiencia se efectuó en función de los primeros de acuerdo con la ecuación (Capella, 1995): x x 2 RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Fig 2 presentan el comportamiento de los SST (mg/l) según los distintos coagulantes utilizados la lo largo de la operación de la planta piloto. Como se observa, existe una gran variación en la concentración de SST de entrada, sin embargo los SST en el efluente se mantienen casi constante aún cuando se trabajan diversos tipos y dosis de coagulantes. TSS INF (mg/l) TSS EFL (mg/l) PRIMERA ETAPA DE OPERACIÓN.- Planta piloto operada con tanque de preaeración, mezcla rápida y cámara de floculación. En la Tabla 3 se muestran los resultados de la primera etapa, en la cual se manejaron dos puntos distintos de aplicación de coagulante y floculante. De acuerdo con los resultados obtenidos y bajo las condiciones de operación trabajadas durante el seguimiento de la planta piloto se pudo observar que cuando se emplea cloruro férrico los SST (180 mg/l) son reducidos a 66 mg/l en el sistema, alcanzando una eficiencia de remoción del 63%, sin embargo existió la aparición de coloración negra que en ocasiones era muy intensa y que limita la aplicación de este coagulante. Cuando se aplicó Sulfato de aluminio, los SST en el influente fueron de 182 mg/l y 57 mg/l se detectaron a la salida y con la Cal se tuvo de 135 a 72 mg/l a la salida, que equivalen en porcentajes de remoción de 69 y 47% respectivamente. Una observación generalizada es la dependencia de la eficiencia lograda con respecto a la concentración de sólidos a la entrada a lo largo de todo el período experimental, dado que los sólidos del efluente se mantienen relativamente constante. En efecto, con el hidróxido de calcio, las eficiencias de remoción de SST variaron en un intervalo de 37 a 64%, debida principalmente a que durante el período en estudio los valores a la entrada fueron bajos (desde 118 a 151 mg/l) en comparación con los del cloruro férrico ( del orden de 153 a 196

5 mg/l), para el caso del sulfato de aluminio se observó también esta dependencia de la eficiencia ya que cuando se tuvo concentraciones de 201 mg/l de SST en el influente se alcanzó una remoción de 74%, mientras que con una concentración de entrada de 79 mg/l la remoción se vio disminuida a 14%, dando como promedio un 54% de remoción de SST. De todas formas, lo importante es considerar la concentración promedio de SST en el efluente para cada coagulante que fue de 55 mg/l cuando se emplea Cloruro férrico, con 227 mg/l de cal se obtuvieron como valor promedio 72 mg/l a la salida y 64 mg/l cuando se dosificó 50 mg/l de Sulfato de aluminio En la segunda condición de operación sólo se trabajó con sulfato de aluminio, los resultados muestran 197 mg/l de SST en la entrada y 56 a la salida con un 71% de remoción, el ph de salida es de 7.79 y el procentaje de remoción de la DQOt fue de 30% Tabla 3 SST para tres coagulantes con la misma condición de operación en la planta piloto COAGULANTE DOSIS SST inf SST efl % rem Cloruro Férrico Sulfato de aluminio Hidróxido de calcio SEGUNDA ETAPA DE OPERACIÓN.- Aplicación de coagulante y floculante en diversos puntos del sistema. En la Fig 3 se presenta una comparación de las diferentes condiciones trabajadas con 50 mg/l de sulfato de aluminio y de 0.3 a 0.4 de polielectrólito. Los mejores resultados se obtienen cuando el coagulante se aplica en el tanque de mezcla rápida y el floculante en la primera cámara de preparación (segunda condición). Sin embargo, esta remoción también se pudo deber a la concentración de SST de entrada que fue de 197 mg/l, favoreciendo el proceso de coagulación- floculación. 69% 71% 61% 64% 58% 53% 45% 22% 31% 44% 41%

6 Cuando en un sistema primario avanzado se utiliza sulfato de aluminio, se puede esperar una concentración de SST en el efluente entre 49 a 66 mg/l, esta concentración de salida es completamente dependiente de la concentración de entrada y del lugar de aplicación del coagulante y floculante. Cuando el coagulante se aplica al final de la segunda cámara de preparación y el floculante en el tanque de mezcla rápida (condición 10) se observa resultado de remoción de SST del 64%, 31% en turbiedad y 28% para la DQOt, con un ph en el efluente de 8. Esto en términos de costo implica una reducción inicial de obra civil y un complimiento de norma bueno. Una observación importante durante el seguimiento fue que la eficiencia de remoción de sólidos se alcanza desde la segunda cámara del sedimentador ya que la concentración de SST en ésta variaron de 46 a 76 mg/l contra de 55 a 66 mg/l en la salida. En la Fig 4 se muestran los resultados promedio de nitrógeno total y fósforo, obtenidos en la planta piloto del día 12/10/95 al 24/10/95. Para el caso del nitrógeno se tienen un porcentaje de remoción de 1% para el N-total y del 28% para el caso del fósforo. La Tabla 4 se muestra la aportaciones de nutrientes que se darían la suelo por medio del agua tratada por un sistema de Tratamiento Primario avanzado, tomando en cuenta que se utiliza el Sulfato de aluminio (50 mg/l) se trata un gasto de 35 m 3 /s y con un ciclo agrícola de 180 días.. Fig 4 Concentración de P-PO4 y N-total (mg/l) durante el seguimiento de la Planta Piloto empleando Sulfato de aluminio (55 mg/l) y prosifloc a-252 (.25 mg/l) P-PO 4 (28% rem) NTK (1% rem) (mg/l) Influente Efluente Primario Influente Efluente Primario

7 Tabla 4 Aportación de nutrientes con el efluente del tratamiento primario avanzado APORTACION MAIZ (NECESIDADES) FRIJOL (NECESIDADES) ALFALFA (NECESIDADES) N- total P-PO 4 N- total P-PO 4 N- total P-PO 4 N-total P-PO 4 (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) (kg/ha) a a a a CONCLUSIONES. Durante la primera etapa se obtuvo que el mejor coagulante en la práctica resultó el sulfato de aluminio a 50 mg/l con el cual se logra 69% de eficiencia en cuando a remoción de SST. Con cloruro férrico (50 mg/l) se tienen 63% y con 250 mg/l de cal se alcanzó un 47% de remoción. Durante la comparación de los puntos de adición del reactivo (segunda etapa), cuando el coagulante se aplica en el tanque de mezcla rápida y el floculante en la primera cámara de floculación (condición 2) la eficiencia de remoción de SST lograda fue la mayor (71%), sin embargo cuando el coagulante se aplica al final de la segunda cámara de preparación y el floculante en el tanque de mezcla rápida (condición 10) se pueden alcanzar eficiencias similares (64%) lo que conduce a proponer la una eliminación de la cámara de coagulación y floculación para tener una disminución considerable del costo de inversión inicial. Se considera que la remoción de parásitos ( del orden de 2 a 3 HH/L) es satisfactoria para el propósito de proteger la salud de los trabajadores agrícolas y de la población de la zona en general sin embargo para levantar restricciones a los cultivos se debe cumplir con la NOM-CCA con < 1 HH/L lo cual se alcanzaría con un paso posterior al TPA como lo es la filtración. En lo que respecta a la remoción de nutrientes (nitrógeno y fósforo), después de una sedimentación primaria esta va ha ser mínima (1 y 28% respectivamente) por lo que la aportación de nitrógeno y fósforo hacia la zona agrícola puede ser benéfica y aprovechada por los cultivos. AGRADECIMIENTOS A la Comisión Nacional del Agua (CNA) quién apoyó al instituto de Ingeniería para la elaboración de este proyecto. A los Ing. Ambientales Carmen de la Concha Alcántara y Ramón Vera Coronado por llevar el seguimiento y al Ing. Rubén Sánchez Rangel por la operación de la planta. REFERENCIAS APHA, AWWA, WPCF (1989). Standard Methods for the Examination of Water and Waste Waters, 17th Edition. Washington, D.C. Capella A., (1995) Feasibility study for the sanitation of the Valley of México. Comisión Nacional del Agua (CNA). Finaly report, december, 1995 Harleman, D. Morrissey, S and Murcott S. (1991) "The case for using chemically Enhanced primary treatment in a New cleanup for Boston Harbor". Boston Soc. Civil Engrs. Section/ASCE 6:69.

8 Jiménez B., Chávez A., Galván M., Hurtado C. y Castillo J. (1995) Estudio de la factibilidad dela gua residual del Valle de México. Tratabilidad del agua residual mediante el proceso primario avanzado (Vol 1). Proyecto Instituto de Ingeniería, UNAM. Jiménez B., Chávez A., Galván M., Hurtado C. y Castillo J. (1995) Estudio de la factibilidad dela gua residual del Valle de México. Tratabilidad del agua residual mediante el proceso primario avanzado (Vol 2). Proyecto Instituto de Ingeniería, UNAM. Karlsson, I (1985). Chemical Phosphorous Removal in Combination with Biological Treatment. Management Strategies for Phosphorous in the Environment International Conference, Lisbon ISNN Edited by Lester, J. N and Kirk, P.W.W. Shao, Y.J., Liu, A., Jenkins, D., Wada, F. and Cross, J. (1993). Advanced Primary Treatment: an Alternative to Biological Secondary Treatment. The City of Los Angeles (CA) Hyperion Treatent Plant Experience. Proceedings of the 66th Annual Conference & Exposition. Anaheim, California, USA, pp