Tema 5.- Tratamiento del agua. Tema 5.- F.G. C-F 1

Transcripción

1 Tema 5.- Tratamiento t del agua Tema 5.- F.G. C-F 1

2 Tipos de tratamiento Utilización del agua: 1. Uso doméstico 2. Uso agrícola 3. Uso industrial Purificación para usos domésticos Tratamiento para aplicaciones industriales especializadas Tratamiento de aguas residuales para hacerlas aceptables para su posterior vertido o reutilización Tema 5.- F.G. C-F 2

3 Tratamiento de aguas urbanas (Potabilización) El proceso de potabilización se puede realizar con uno o varios de los siguientes procesos unitarios, dependiendo del origen y calidad del agua: Captación Desbaste Aireación/preoxidación eo ó Coagulación-floculación Decantación-Filtración Desinfección Ablandamiento Osmosis inversa Intercambio iónico Electrodiálisis i Otros Tema 5.- F.G. C-F 3

4 Tratamiento de aguas para usos domésticos Tema 5.- F.G. C-F 4

5 Tratamiento de aguas para usos domésticos Captación Desbaste: eliminación de sólidos mediante rejas y tamices Aireación/preoxidación El proceso de aireación permite la eliminación de Compuestos orgánicos volátiles Gases disueltos como Radon H 2 S, CO 2, NH 3 Oxidación de especies inorgánicas como ferrosas a férricas, Mn(II) o sulfuros (formación de precipitados) i Contribuye a la eliminación de cantidades moderadas de sólidos en suspensión por decantación Aumento del oxígeno disuelto Tema 5.- F.G. C-F 5

6 Coagulación-floculación Las partículas en aguas naturales suelen estar en forma de coloides (no sedimentan) Responsables de la turbidez y el color La mayoría están estabilizadas por presentar cargas electrostáticas superficiales que impiden su aglomeración La adición de sales trivalentes (aluminio o férricas inducen la precipitación Tema 5.- F.G. C-F 6

7 Tema 5.- F.G. C-F 7

8 Tema 5.- F.G. C-F 8

9 Coagulación-floculación Floculantes: productos químicos que favorecen la agrupación de las partículas coloidales desestabilizadas (coaguladas) en partículas de mayor tamaño (flóculos) No iónicos: poliamidas, óxido de polietileno Aniónicos: i poliamidas id parcialmente ionizadasi Catiónicos: sales de amonio de poliamidas Tema 5.- F.G. C-F 9

10 Filtración Filtración mecánica y de adsorción: Eliminación i ió de partículas en suspensión Eliminación de compuestos orgánicos Sustancias que producen olores desagradables Tema 5.- F.G. C-F 10

11 Desinfección Eliminación de patógenos Origen bacteriano: cólera, tifus, disentería, tuberculosis Origen vírico: poliomielitis, hepatitis, conjuntivitis, iti gastroenteritis t Origen parasitario Importante en potabilización de las aguas, de usos industriales, o tratamiento de aguas residuales Tema 5.- F.G. C-F 11

12 Propiedades de un desinfectante Elevada capacidad de destrucción de microorganismos Inocuo, no producir sabor-olor desagradable Tiempo de residencia en el agua prolongado Rapidez en su actuación Independiente di de fluctuaciones de temperatura, t ph, concentración.. Facilidad de manipulación y dosificación Tema 5.- F.G. C-F 12

13 Desinfección de aguas para usos domésticos Métodos físicos: calefacción, radiación UV Métodos químicos: cloración, ozono, etc Cloración Tratamiento con ozono Tratamiento con luz UV Calor Tema 5.- F.G. C-F 13

14 Desinfección con cloro La cloración es uno de los métodos mas comunes para la eliminación de los agentes patógenos. Cuando el cloro se adiciona rápidamente se hidroliza según la reacción: Cl 2 + H 2 O H + + Cl - + HOCl [H`+ ] [Cl - ] [HOCl] K = = -4 20º 3,3 X 10 [Cl 2 ] El ácido hipocloroso es un ácido débil que se disocia según la ecuación HOCl H + + OCl - K i = 2.7 x 10-8 Se puede calcular que la concentración de cloro es despreciable a ph mayores de 3 cuando se añaden cantidades d del orden de 1.0 g /l Sustitutos del cloro Hipoclorito sódico Hipoclorito cálcico Más seguros de manipular que el cloro gaseoso HOCl y OCl - cloro libre disponible (efectivo para la la eliminación de bacterias) Tema 5.- F.G. C-F 14

15 Cloración: Reacciones secundarias 1.- Destrucción de cloro residual por compuestos fácilmente oxidables (H 2 S, Fe 2+, etc.) 2.- Formación de cloraminas (desinfectantes t suaves que no producen trihalometanos) en presencia de ión amonio 1. NH 3 + HOCl NH 2 Cl (monocloramina) + H 2 O 2. NH 2 Cl + HOCl NHCl 2 (dicloramina) +HO Destrucción de cloraminas y formación de tricloruro de nitrógeno NHCl 2 +HOCl NCl 3,gas (tricloruro de nitrógeno )+HO Formación de cloro libre Cloraminas: Cloro combinado disponible Tema 5.- F.G. C-F 15

16 Ozonización Hierro Virus Bacteria s Ozono elimina H 2 S Manganes o INCONVENIENTES Baja solubilidad Descomposición 2 O 3 3 O 2 d[o 3 ] Ecuación empírica dt = k o [OH - ] 0.55 [O 3 ] 2 Tema 5.- F.G. C-F 16

17 Desinfección con luz UV Ventajas del tratamiento con UV Evita el crecimiento y multiplicación de microorganismos Es barato No altera a las propiedades del agua No genera productos tóxicos Tema 5.- F.G. C-F 17

18 Tratamiento de las aguas duras Tratamientos químicos Tratamiento con cal-soda (uso en industrias) Tratamientos físicos Calefacción (dureza temporal) Ósmosis reversa Cambio iónico Electrodiálisis Tema 5.- F.G. C-F 18

19 Tratamiento con cal-soda Ca(OH) 2 Na CO 2 3 ) Ca (HCO 3 ) 2 + Ca (OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O Mg g( (HCO 3 ) 2 + Ca (OH) 2 CaCO 3 + MgCO 3 + 2H 2 O MgCO 3 + Ca (OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCO 3 CO 2 + Ca (OH) 2 CaCO 3 + H 2 O 2NaHCO 3 + Ca (OH) 2 CaCO 3 + Na 2 CO 3 + 2H 2 O MgSO 4 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaSO 4 CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 SO 4 Tema 5.- F.G. C-F 19

20 Calefacción Dureza temporal Dureza por iones HCO - 3 2HCO 3- (ac) CO 3= (ac) + H 2 O(l) + CO 2 (g) Tema 5.- F.G. C-F 20

21 Ósmosis Es la difusión de un solvente a través de una membrana semipermeable, el flujo es de la parte con menos concentración a la parte con mayor concentración πv = nrt n π = RT V = M RT Tema 5.- F.G. C-F 21

22 Disoluciones Isotónica Hipotónica Hipertónica Tema 5.- F.G. C-F 22

23 Tema 5.- F.G. C-F 23

24 Tema 5.- F.G. C-F 24

25 a. Aspecto normal de los glóbulos rojos en una disolución isotónica b. Aspecto de los glóbulos rojos en una disolución hipotónica (turgencia por ganancia de agua) c. Glóbulos rojos en una disolución hipertónica parecen desinflados por pérdida de agua Tema 5.- F.G. C-F 25

26 Ósmosis reversa En la ósmosis inversa, el flujo del agua que fluye por la membrana, es forzado por presión, a que pase de la parte de mayor concentración, hacia la parte de menor concentración, la presión debe ser superior a la presión osmótica. Tema 5.- F.G. C-F 26

27 Osmosis reversa Tema 5.- F.G. C-F 27

28 Ósmosis reversa Tema 5.- F.G. C-F 28

29 Desaladoras Tema 5.- F.G. C-F 29

30 Cambio iónico Proceso reversible realizado sobre un soporte polimérico (resina) Resinas catiónicas i y aniónicas i Aplicaciones Ablandar aguas Desmineralizar Eliminar ácidos o bases Desalar Eliminar metales pesados Tratamiento de residuos radiactivos Purificación ió de proteínas Tema 5.- F.G. C-F 30

31 Resinas Estabilidad térmica Estabilidad química Humectación Tema 5.- F.G. C-F 31

32 Tipos de resinas Grupos activos Estructura Tipos de resinas Sulfonicas R-SO 3 H Cationes de ácidos fuertes Carboxílicas R-COOH Cationes de ácidos débiles Sales de amonio R-N(CH 3 ) 3+ Cl - R-N(CH 3 ) 2 (CH 2 ) 2 OH Cl - R-N (CH 3 ) 2 Aniones de ácidos fuertes Aniones de ácidos fuertes Aniones de ácidos débiles R-SH Quelatantes R-CH 2 N(CH 2 COOH) 2 R-CH 2 NHCH 2 CH 2 PO 3 H Resinas quelatantes Tema 5.- F.G. C-F 32

33 Procesos típicos Las más empleadas R-SO 3 H 2RSO 3 Na + Ca 2+ 2RSO 3 Ca + 2Na + Quelatantes Tema 5.- F.G. C-F 33

34 Purificación por cambio iónico Es un proceso de desionización, Ciertos iones no deseados, son cambiados por otros iones deseados que están unidos a las partículas una resina. Normalmente los iones hidrógeno de la resina, se cambian por los cationes y los iones hidroxilo de la resina, se cambian por los aniones. La resina se puede regenerar Tema 5.- F.G. C-F 34

35 Tema 5.- F.G. C-F 35

36 Tema 5.- F.G. C-F 36

37 Tema 5.- F.G. C-F 37

38 Cambio iónico Agua dura Resina Ca ++ Mg ++ Na + Agua blanda Tema 5.- F.G. C-F 38

39 Intercambio iónico Tema 5.- F.G. C-F 39

40 Electrodiálisis Tema 5.- F.G. C-F 40

41 Purificación de agua para uso industrial Tratamiento depende de Uso del agua Cantidad y calidad del agua disponible Uso secuencial Reciclado Tratamientos externos Tratamientos internos Reacción de oxígeno disuelto con hidrazina (NH 2 -NH 2 ) Adición de agentes quelatantes Adición de agentes precipitantes Ajuste del ph Desinfección en industria alimentaria para prevenir el crecimiento bacteriano Tema 5.- F.G. C-F 41

42 Aguas residuales Contenido de las aguas Oi Origen: residuales: materiales que consumen oxígeno sólidos en suspensión grasas y aceites espumas bacterias y virus patógenos sales nutrientes de algas pesticidas metales pesados compuestos orgánicos diversos Urbanas Industriales Agropecuarias Tema 5.- F.G. C-F 42

43 Clasificación de tratamientos Según su naturaleza Físicos Químicos Biológicos i Según la secuencia Previos Primario Secundario Terciario (avanzado) Desinfección Tema 5.- F.G. C-F 43

44 Tratamientos tos físicos Sedimentación Flotación Natural o provocada con aire. Filtración Con arena, carbón, cerámicas, etc. Evaporación Adsorción Con carbón activo, zeolitas, etc. Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej. amoniaco). Extracción Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua Osmosis inversa. Haciendo pasar al agua a través de membranas semipermeables que retienen los contaminantes disueltos Tema 5.- F.G. C-F 44

45 Tratamientos químicos Coagulación-floculación Agregación de pequeñas partículas usando coagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio, polímeros etc.) Precipitación química. Eliminación de metales pesados haciéndolos insolubles con la adición de lechada de cal, hidróxido sódico u otros que suben el ph. Oid Oxidación-reducción. ió d ió Con oxidantes como el peróxido de hidrógeno, ozono, cloro, permanganato potásico o reductores como el sulfito sódico. Reducción electrolítica. Provocando la deposición en el electrodo del contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos Intercambio iónico. Con resinas que intercambian iones Tema 5.- F.G. C-F 45

46 Tratamientos tos Biológicos Usan microorganismos que se nutren con diversos compuestos de los que contaminan las aguas. Se forman flóculos que por agregación de microorganismos son separados en forma de lodos. Pueden ser aerobios o anaerobios Tema 5.- F.G. C-F 46

47 Planta de tratamiento to Tema 5.- F.G. C-F 47

48 Tema 5.- F.G. C-F 48

49 Tratamiento previos Consiste en la eliminación de sólidos groseros por medio de rejas y pozos de decantación previa Tema 5.- F.G. C-F 49

50 Tratamiento to primario Se aplican tratamientos físicos y/o químicos que comportan la reducción de sólidos en suspensión totales en un mínimo de 50% y de la DBO en un 20%. La reducción se produce por sedimentación de sólidos a veces con ayuda de floculantes Se denomina sedimentación primaria Sólidos Grasas y aceites Espumas Tema 5.- F.G. C-F 50

51 Tratamiento primario Se generan lodos Se compactan por gravedad para eliminar el agua ocluida en los flóculos El líquido sobrenadante se envía de nuevo a la cabecera de la instalación ió Tema 5.- F.G. C-F 51

52 Tratamiento secundario Diseñado para le eliminación de materia orgánica, tanto en disolución como en suspensión con la ayuda de microorganismos que la oxidan en condiciones controladas mediante procesos aerobios y/o anaerobios Se denomina sedimentación secundaria y supone una reducción en la DBO de un 80% y los sólidos totales en un 90% El aire en los procesos aerobios es captado de la atmósfera Se realiza en reactores biológicos,pueden presentar apariencias muy diversas (lagunas, circulares, rectangulares, canales...) Tema 5.- F.G. C-F 52

53 Sistemas aerobios Lagunas de oxidación Filtros de goteo Biodiscos Lodos activados Tema 5.- F.G. C-F 53

54 Dispositivos: Lagunas as de oxidación Constituidas por un sistema de algas/bacterias Las algas contribuyen a generar el oxígeno necesario para que se mantengan las condiciones aerobias. Las bacterias oxidan la materia orgánica hasta dióxido de carbono y las algas utilizan ese dióxido de carbono en su metabolismo fotosintético para producir oxígeno y biomasa Se construyen con gran extensión, poco fondo para facilitar la fotosíntesis e impermeabilizando el terreno Tema 5.- F.G. C-F 54

55 Dispositivos: filtros de goteo o percolador Tema 5.- F.G. C-F 55

56 Disposistivos: Reactores biológicos rotatorios Grandes discos dentro de una mezcla de agua residual con microorganismos i facilitan la fijación y el trabajo de los microorganismos Tema 5.- F.G. C-F 56

57 Dispositivo: Lodos activados Tratamiento iniciado en Inglaterra a principios del siglo XX Consiste en un tratamiento aerobio que oxida la materia orgánica a CO 2 y agua NH 4+ y nueva biomasa. El aire necesario para el tratamiento se proporciona mediante difusión o por tratamiento mecánico. El sistema está constituido por un tanque de aireación y un tanque de clarificación por los que se hace pasar los lodos varias veces Durante el tratamiento los microorganismos forman flóculos que, posteriormente, se dejan sedimentar en un tanque denominado tanque de clarificación. Los sistemas de lodos activados son bastante eficaces, más que otros sistemas de tratamiento, eliminan del 85 al 95 % de la DBO de las aguas residuales. Tema 5.- F.G. C-F 57

58 Dispositivo: Lodos activados Tema 5.- F.G. C-F 58

59 O 2 Materia orgánica bacterias Lodos Tema 5.- F.G. C-F 59

60 Procedimientos anaerobios: Digestión anaerobia El proceso de digestión anaerobia se realiza en tanques completamente cerrados con varios tipos de microorganismos. bacterias productoras de ácidos bacterias productoras de metano. Las bacterias productoras de ácidos transforman la materia orgánica compleja, en productos intermedios. Las bacterias productoras de metano actúan sobre los productos intermedios transformándolos en gases y subproductos estabilizados. El proceso es lento y requiere unas condiciones determinadas. La primera fase del proceso se denomina fase ácida, con ph por debajo de 6,8. La segunda fase se denomina metánica, la cual aumenta el ph a valores de 7,4,, estas bacterias son muy sensibles a los valores de ph y se inhiben con valores inferiores a 6 El metano obtenido es una fuente de energía renovable Tema 5.- F.G. C-F 60

61 Procedimientos anaerobios: Digestión anaerobia Tema 5.- F.G. C-F 61

62 Tratamiento terciario Consiste en la eliminación decompuestos no biodegradables y nutrientes minerales como nitrógeno y sales de fósforo materia orgánica no degradada metales pesados Compuestos que sirven de nutrientes para los organismos acuáticos (nitratos y fosfatos fundamentalmente) Tratamientos físico-químicos í i microfiltración, coagulación y precipitaciónp adsorción con carbón activado intercambio iónico la ósmosis inversa Electrodiálisis Tratamientos biológicos transformación biológica i de los compuestos de nitrógeno (desnitrificación) mediante la bacterias desnitrificantes Tema 5.- F.G. C-F 62

63 Tema 5.- F.G. C-F 63

64 Desinfección El efecto que se busca en esta etapa es la disminución significativa de gérmenes coliformes tales como Salmonella o Siguella mediante el empleo de agentes desinfectantes como cloro o hipoclorito sódico. La adición de cloro se realiza mediante bombas dosificadoras en un tanque de contacto para asegurar la reacción del cloro con el efluente Tema 5.- F.G. C-F 64

65 Tratamiento de efluentes industriales La depuración de aguas residuales industriales es el sector más complejo dentro del mundo de la depuración, en él no son válidos las generalizaciones Métodos físicos Métodos químicos Métodos biológicos Tema 5.- F.G. C-F 65

66 Métodos físicos Filtrado, tamizado, ósmosis inversa o electrodialisis. Estos métodos se sirven de una fase líquida y de otra sólida que retiene los contaminantes rejas más o menos gruesas mayas de diferentes grosores membranas selectiva Flotación o, sedimentación, centrifugación Otro tipo de métodos utilizan las diferentes densidades de los materiales del agua residual: retirada por cuando el contaminante pesa mucho más que el agua. En otros casos lo que se utiliza es la fuerza centrífuga ayudando a separar los materiales más pesados. Adsorción sobre carbón activo se emplea para la eliminación sobre todo de compuestos orgánicos Tema 5.- F.G. C-F 66

67 Métodos químicos Se utilizan cuando los contaminantes son demasiado finos para poderlos cribar o incluso se encuentran disueltos. Estos métodos se basan en la utilización ió de sales metálicas, normalmente de hierro, aluminio o silicio, que reaccionan con los contaminantes disueltos aglomerándolos en flóculos que precipitan separándose del agua limpia superficial. Otros métodos usados son los basados en resinas y torres de absorción que retienen los contaminantes dejando circular libremente el agua limpia. Tema 5.- F.G. C-F 67

68 Métodos biológicos Mayor complejidad técnica pero de mayor eficacia Se basan en: eliminación de la materia orgánica y otros nutrientes (nitrógeno o fósforo) presentes en las aguas como sólidos no sedimentables mediante la acción de microorganismos. Se busca en ellos una doble acción: metabólica (transformación) floculación de las partículas en suspensión Tema 5.- F.G. C-F 68

69 Características ti de los micro-organismos organismos Estos microorganismos sufren un proceso previo de selección que tiene por objeto su adaptación a los contaminantes específicos de las aguas residuales. Se adaptan al medio buscando una determinada concentración de oxígeno, un ph adecuado, una temperatura dentro de unos márgenes con el fin de que se desarrollen correctamente. Los microorganismos se agrupan dando lugar a la formación de flóculos de mayor densidad que el agua por lo que precipitan, separando de esta forma el agua limpia de los microorganismos Tema 5.- F.G. C-F 69

70 Resumen Tema 5.- F.G. C-F 70

71 PROCESOS Adsorción Neutralización Oxidación Filtrado Ablandamiento de agua Desinfección Desalación y desmineralización METODOS Carbón activado Resina intercambiadora de aniones (color) Alúmina activada Medios de calcita y óxido de magnesio Ceniza de sosa (sosa comercial) Aplicación de sustancias químicas, ácido acético Aireación Medios catalizadores Aplicación de sustancias químicas, cloración, etc. Arena, antracita, calcita Carbón activado y productos de medios múltiples Resina intercambiadora de cationes Aplicación de cloro Lámparas ultravioletas Ozonización Destilación Osmosis inversa Destilación ó Resina intercambiadora de iones mixtos Tema 5.- F.G. C-F 71

72 Sector industrial Construcción Minería Energía Textil y piel Automoción Navales Siderurgia Química inorgánica Química orgánica Fertilizantes Pasta y papel Substancias contaminantes principales Sólidos en suspensión, metales, ph. Sólidos en suspensión, metales pesados, materia orgánica, ph, cianuros. Calor, hidrocarburos y productos químicos. Cromo, taninos, tensoactivos, ti sulfuros, colorantes, grasas, disolventes orgánicos, ácidos acético y fórmico, sólidos en suspensión. Aceites lubricantes, pinturas y aguas residuales. Petróleo, productos químicos, disolventes y pigmentos. Cascarillas, aceites, metales disueltos, emulsiones, sosas y ácidos. Hg., P, fluoruros, cianuros, amoniaco, nitritos, ácido sulfhídrico, F, Mn, Mo, Pb., Ag, Se, Zn, etc. y los compuestos de todos ellos. Órgano halogenados, órgano silícicos, compuestos cancerígenos y otros que afectan al balance de oxígeno. Nitratos y fosfatos. Sólidos en suspensión y otros que afectan al balance de oxígeno. Plaguicidas Órgano halogenados, órgano fosforados, compuestos cancerígenos, biocidas, etc. Fibras químicas Aceites minerales y otros que afectan al balance de oxígeno. Pinturas, barnices y Compuestos organoestámicos, compuestos de Zn, Cr, Se, Mo, Ti, tintas Sn, Ba, Co, etc. Tema 5.- F.G. C-F 72