LA DUALIDAD ENTRE DOSIS ÓPTIMA Y CALIDAD DEL AGUA BRUTA, EN EL PROCESO DE FLOCULACIÓN DE AGUAS

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1 XXX CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 26 al 30 de noviembre de 2006, Punta del Este - Uruguay ASOCIACIÓN INTERAMERICANA DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL - AIDIS TITULO LA DUALIDAD ENTRE DOSIS ÓPTIMA Y CALIDAD DEL AGUA BRUTA, EN EL PROCESO DE FLOCULACIÓN DE AGUAS NOMBRE DE LOS AUTORES Julieta López (1) Ingeniera Civil Hidráulica y Ambiental. Profesora adjunta de la Facultad de Ingeniería. Integrante del Grupo de Investigación del Departamento de Ingeniería Ambiental del Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA), Facultad de Ingeniería. Desde el año 1999 ha participado en los proyectos de investigación en el área de agua potable. Elizabeth González Ingeniera Civil Hidráulica y Sanitaria. Dra. en Ingeniería Ambiental. Profesora agregada de la Facultad de Ingeniería. Jefe del Departamento de Ingeniería Ambiental del IMFIA, Facultad de Ingeniería. Fabiana Bianchi Estudiante avanzada de la carrera de Ingeniería Civil, perfil Hidráulica y Ambiental. Ayudante honoraria del Departamento de Ingeniería Ambiental del IMFIA, Facultad de Ingeniería Daniela Larrea Estudiante avanzada de la carrera de Ingeniería Civil, perfil Hidráulica y Ambiental. Ayudante honoraria del Departamento de Ingeniería Ambiental del IMFIA, Facultad de Ingeniería Nicolás Rezzano Estudiante avanzado de la carrera de Ingeniería Civil, perfil Hidráulica y Ambiental. Ayudante interino del Departamento de Ingeniería Ambiental del IMFIA, Facultad de Ingeniería Aplicar Foto RESUMEN Dirección (1): Herrera y Reissig Montevideo - CP Uruguay - Tel: int Fax: jlopez@fing.edu.uy En el proceso de clarificación de agua, la etapa de floculación tiene una gran importancia, ya que condiciona la efectividad de los procesos que le siguen en el tratamiento. La dosificación de coagulante, y la definición de los gradientes y tiempos de floculación a aplicar son las herramientas con que cuenta el operador para influir en dichas etapas. Se planteó como objetivo principal analizar la relación existente entre la dosis óptima de coagulante, la calidad del agua bruta, y la turbiedad del agua sedimentada al aplicarle distintos gradientes y tiempos de floculación. Para esto se trabajó sobre un conjunto de datos obtenidos de ensayos de jarras realizados para distintos tipos de agua bruta. En cada caso se realizaron ensayos de dosis óptima y ensayos para determinar los tiempos y gradientes óptimos de floculación. A partir del análisis estadístico de los datos, se determinó que una vez aplicada la dosis de coagulante, las características del agua bruta dejan de intervenir en el proceso de floculación, siendo el gradiente y el tiempo de floculación los parámetros que predominan en el resultado del proceso. En consecuencia se debe poner especial atención en la determinación de la dosis de coagulante a aplicar. La determinación del valor de dosis óptima mediante un único ensayo de jarras, tal como se realiza habitualmente en la operación de plantas potabilizadoras, presenta un nivel importante de error, debido a la dispersión de los datos.

2 Si se consideran las relaciones entre la dosis óptima de coagulante y la calidad del agua bruta, puede afirmarse que existe una relación entre turbiedad del agua bruta y dosis de coagulante, por lo que puede plantearse una ecuación que relacione ambos parámetros. De esta forma con sólo medir la turbiedad del agua bruta se podría estimar la dosis de coagulante a aplicar, antes de realizar un ensayo de jarras. PALABRAS CLAVE Dosis óptima, Alcalinidad, Turbiedad, Floculación de aguas TEXTO INTRODUCCION Y ANTECEDENTES En el proceso de clarificación de agua, la etapa de floculación tiene una gran importancia, ya que condiciona la efectividad de los procesos que le siguen en el tratamiento. Es por ese motivo que a nivel de la operación de la planta, el control del proceso coagulación floculación es una de las principales preocupaciones. La dosificación de coagulante, y la definición de los gradientes y tiempos de floculación a aplicar son las herramientas con que cuenta el operador para influir en dichas etapas. Tanto para determinar la dosis óptima de coagulante (dosis para la cual se obtiene la menor turbiedad residual en el proceso de coagulación - floculación - sedimentación), como para definir los gradientes y tiempos de floculación recomendados para un agua bruta determinada, se utilizan ensayos de jarras. También se cuenta con modelos matemáticos propuestos por diversos autores para representar dichos fenómenos. En 1970 Argaman y Kaufman plantearon una expresión matemática definida a través de dos funciones, una de agregación de partículas primarias y la otra de desagregación de partículas formadas, que se consagró como el modelo universalmente aceptado para la representación del proceso de floculación. Con el objetivo de avanzar en el conocimiento de estos procesos, el Departamento de Ingeniería Ambiental del IMFIA (Facultad de Ingeniería de la UdelaR) ha venido trabajando desde el año 1999 en la temática. En el año 2000 el Departamento propuso una formulación alternativa de las ecuaciones utilizadas para representar el proceso de floculación en potabilización de aguas. Dicho planteo se basó en considerar como válido el término de agregación de Argaman y Kaufman, y reformular el término de desagregación de forma de lograr una mejor representación del proceso de floculación, dentro de los tiempos de retención y gradientes de velocidad habitualmente utilizados en los sistemas de tratamiento. El trabajo en esa instancia consistió en determinar una expresión matemática que se ajustara a los resultados experimentales obtenidos en una serie importante de ensayos de jarras, realizados con distintas fuentes de agua bruta. Como resultado se llegó a la siguiente expresión matemática que describe la variación de la turbiedad con el tiempo de floculación: N = No. e -KA G t + C 1. e -λ1 t + C 2. e -λ2 t + No* ecuación (1) N: turbiedad residual para un tiempo t de floculación No: turbiedad inicial No*: turbiedad residual luego de un alto tiempo de floculación (corresponde al tamaño de floc estable) G: gradiente medio de velocidad.. K A : constante de agregación C 1, C 2, λ 1 y λ 2 son los parámetros del modelo Una vez formulado el modelo, se comenzó a trabajar en el ajuste de los parámetros que intervienen en la ecuación, para lo cual se trabajó sobre resultados experimentales de nuevos ensayos de jarras. Luego se buscó relacionar los coeficientes C 1, C 2, λ 1, λ 2, con los parámetros de caracterización del agua bruta y los intervinientes en el proceso (gradiente medio de velocidad, dosis óptima, turbiedad, color, alcalinidad, ph). Pero en esa instancia no

3 se encontraron relaciones directas entre los distintos coeficientes y los parámetros de caracterización del agua bruta. Cabe señalar que los resultados experimentales en los que se basó la formulación de la expresión matemática planteada, consistían en ensayos de jarras realizados para distintos tipos de agua bruta. Para cada una de las aguas empleadas se determinó, en primer lugar, la dosis óptima de coagulante a aplicar. Y luego se realizaron ensayos de jarras para distintos gradientes y tiempos de floculación, aplicando la dosis óptima de coagulante antes determinada. Una vez que se aplicaba la dosis óptima de coagulante, los parámetros de caracterización del agua bruta dejaban de incidir en los coeficientes del modelo. Fue por ese motivo, entonces, que se planteó analizar las relaciones existentes entre la dosis óptima de coagulante, los principales parámetros de caracterización del agua bruta (turbiedad, alcalinidad) y la turbiedad del agua sedimentada obtenida luego del proceso de floculación (para los distintos gradientes y tiempos aplicados). OBJETIVOS El principal objetivo planteado fue el de analizar la relación existente entre la dosis óptima de coagulante, determinada mediante ensayos de jarras, la calidad del agua bruta caracterizada a través de la turbiedad y alcalinidad, y la turbiedad del agua sedimentada al aplicarle distintos gradientes y tiempos de floculación. Además se planteó encontrar una aplicación práctica sencilla, más allá de las disquisiciones teóricas, para la estimación de la dosis óptima a partir de la calidad del agua bruta. ACTIVIDADES DESARROLLADAS Y RESULTADOS OBTENIDOS Durante el desarrollo y ajuste del modelo de floculación propuesto, el Departamento de Ingeniería Ambiental realizó un conjunto importante de ensayos de jarras cuyos resultados fueron utilizados para el presente trabajo. Para esta instancia se realizaron ensayos de jarras adicionales, con aguas brutas de diferentes calidades. En cada caso se comenzó por caracterizar el agua bruta, a través de la medición de los siguientes parámetros: turbiedad, alcalinidad, ph, color y temperatura. Luego, y para cada agua empleada, se realizaron dos tipos de ensayos: uno para determinar la dosis óptima de coagulante (sulfato de aluminio) y el otro para determinar los tiempos y gradientes óptimos de floculación utilizando la dosis óptima obtenida en el primer ensayo. En la siguiente tabla se resumen los principales datos resultantes para las distintas aguas ensayadas. Fuente de agua Turbiedad Alcalinidad Dosis óptima agua bruta agua bruta sulfato aluminio Florida Florida Florida Aguas Corrientes Aguas Corrientes Tala Florida Laguna del Cisne Tala Tala Pando Río Negro Pando Tala Tala Río Negro Pando Pando

4 Santa Lucía Santa Lucía Santa Lucía Santa Lucía Santa Lucía Santa Lucía Santa Lucía Toledo Toledo Toledo Toledo Toledo Toledo Toledo Tabla 1: Principales características de las aguas ensayadas. Relación entre la dosis óptima y la calidad del agua bruta: Para analizar la posible relación entre la dosis óptima de coagulante y la calidad del agua bruta, se realizaron análisis estadísticos de los resultados obtenidos en los ensayos de jarras. En primer lugar se procedió a estandarizar los datos, debido a que la magnitud de algunas variables es claramente superior a las restantes (las que en caso contrario ejercerían una influencia considerable). Luego se aplicaron análisis de componentes principales y análisis de clusters, que permiten identificar grupos entre las distintas variables y analizar las posibles relaciones entre ellas. El gráfico 1 muestra el dendrograma que resulta de aplicar análisis de clusters. Puede observarse que quedan identificados 2 grupos: uno que reúne la dosis óptima con la turbiedad del agua bruta, y otro que incluye únicamente a la alcalinidad del agua bruta. De este resultado se puede inferir que la variable dosis óptima presenta relación con la turbiedad del agua bruta pero no con la alcalinidad. Dendrograma Disimilitud Alcalinidad agua bruta Turbiedad agua bruta Gráfico 1: Resultado del análisis de clusters Dosis óptima Los mismos resultados fueron obtenidos al aplicar análisis de componentes principales. En el siguiente diagrama se puede observar que las variables dosis óptima y turbiedad del agua bruta se ubican muy próximas una de otra, mientras que la alcalinidad del agua bruta se ubica formando un ángulo de aproximadamente 90º respecto de las anteriores. De este

5 resultado se desprende que la alcalinidad del agua bruta no presenta relación con las otras dos variables. Variables (ejes F1 y F2: 96,63 %) 1 Alcalinidad 0,75 0,5 F2 (36,83 %) 0,25 0-0,25 Dosis óptima Turbiedad -0,5-0, ,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 F1 (59,80 %) Gráfico 2: Resultado del análisis de componentes principales A partir de los análisis estadísticos realizados se puede interpretar que la dosis óptima de coagulante se relaciona con la turbiedad del agua bruta, pero no presenta relación con la alcalinidad del agua cruda. A continuación se presentan las gráficas de alcalinidad contra dosis óptima y turbiedad contra dosis óptima, para todo el conjunto de aguas analizadas. Dosis óptima coagulante (mg/l) ALCALINIDAD VS DOSIS OPTIMA Alcalinidad agua bruta (mg/l CaCO 3 ) Gráfico 3: Datos de alcalinidad del agua bruta contra dosis óptima de coagulante aplicado

6 TURBIEDAD VS DOSIS OPTIMA Dosis óptima coagulante (mg/l) Turbiedad agua bruta (NTU) Gráfico 4: Datos de turbiedad del agua bruta contra dosis óptima de coagulante aplicado Puede observarse que tal como resultara de los análisis estadísticos, la alcalinidad del agua bruta no presenta relación con la dosis óptima de coagulante aplicada. Es importante señalar que en todos los casos analizados, la alcalinidad del agua bruta era superior a la mínima requerida para la dosis de sulfato de aluminio aplicada. En el gráfico 4 se observa que existe una relación entre turbiedad del agua bruta y dosis óptima de coagulante. A mayor turbiedad, mayor la dosis de coagulante, siendo que para turbiedades bajas existe una fuerte dependencia entre ambos parámetros, mientras que para turbiedades altas la variación de la dosis con la turbiedad es baja. Relación entre la turbiedad del agua sedimentada y la calidad del agua bruta: Para evaluar las vinculaciones entre los distintos parámetros de calidad de agua y la turbiedad del agua sedimentada (para distintos gradientes y tiempos de floculación), se realizaron análisis estadísticos de los resultados obtenidos en los ensayos de tiempos y gradientes óptimos. Al igual que en el caso anterior, se aplicaron análisis de componentes principales y análisis de clusters, para cada gradiente de velocidad y para cada tiempo de floculación, considerando como vector de datos uno compuesto por la alcalinidad del agua bruta, la turbiedad del agua bruta y las turbiedades del agua sedimentada obtenidas en los siguientes tiempos de floculación: 5, 10, 15, 20, 30 y 60 minutos, para gradientes de 5, 15, 30, 50, 70s -1. Ambos análisis se realizaron con los datos estandarizados. Interpretando los resultados de la aplicación de las herramientas estadísticas multivariadas, se puede afirmar que el resultado del proceso de floculación depende fuertemente del tiempo y gradiente de velocidad aplicados, y en menor medida de la calidad del agua bruta. En consecuencia las características del agua bruta intervienen en menor medida en el proceso de floculación, siendo que el parámetro dosis óptima enmascara los parámetros anteriores. Dosis óptima como principal parámetro del proceso: De los análisis anteriores surge que el parámetro dosis óptima tiene una gran importancia en el proceso de floculación de aguas, por lo que su determinación pasa a jugar un papel

7 fundamental en el proceso. En el año 2003 el Departamento de Ingeniería Ambiental analizó el grado de confianza y el error al seleccionar la dosis óptima a partir de un único ensayo de jarras. Para esta instancia se completó el análisis con nuevos ensayos para distintas aguas brutas. Para cada agua bruta se realizaron 10 ensayos de dosis óptima, repitiendo la misma prueba de jarras en idénticas condiciones (rangos de dosis aplicadas, secuencia de agitación, tiempos de sedimentación). Con los resultados obtenidos se verificó, mediante la aplicación de la prueba de D Agostino, que el conjunto de datos proviene de una población normal. Se consideraron tres grupos de datos diferentes: los resultados para 10 minutos de tiempo de sedimentación, para 20 minutos de sedimentación, y el conjunto de los 20 datos obtenidos para 10 y 20 minutos de sedimentación. Luego se determinó el nivel de confianza con el que se puede plantear que la dosis seleccionada a partir de un único ensayo de jarras, efectivamente corresponde a la dosis óptima de coagulante. Aplicando la distribución t de Student, el intervalo de confianza queda definido por: x m s t 0,95, n 1 s t0,95, n 1, xm + n n ecuación (2) Los resultados obtenidos muestran que para un nivel de confianza del 95%, entre 2 y 4 valores de cada diez ensayos quedarían fuera del rango; es decir que entre 6 y 8 de cada diez ensayos estarían dando el valor correcto de dosis óptima. En todos los casos, para abarcar la totalidad de los resultados, se requiere un nivel de confianza de 99.99% o mayor. Esto implica que al tomar como bueno el valor de dosis óptima determinado mediante un único ensayo de jarras, el error puede ser significativo. En los ensayos de laboratorio dicho error se ubicó en el orden de los 20 mg/l, independientemente de los valores de dosis óptima resultante (se obtuvieron rangos de dosis para una misma agua de mg/l, mg/l, mg/l). CONCLUSIONES La dosis óptima de coagulante resulta un parámetro que juega un papel fundamental en el proceso de coagulación floculación. Una vez aplicada la dosis de coagulante, las características del agua bruta dejan de intervenir en el proceso de floculación, siendo el gradiente y el tiempo de floculación los parámetros que predominan en el resultado del proceso. En consecuencia se debe poner especial atención en la determinación de la dosis de coagulante a aplicar. La determinación del valor de dosis óptima mediante un único ensayo de jarras, tal como se realiza habitualmente en la operación de plantas potabilizadoras, presenta un nivel importante de error. Esto se debe a la dispersión de los datos, tal como se planteara anteriormente. Si, por otro lado, se consideran las relaciones entre la dosis óptima de coagulante y la calidad del agua bruta, puede afirmarse que existe una relación entre turbiedad del agua bruta y dosis de coagulante, por lo que puede plantearse una ecuación que relacione ambos parámetros. De esta forma con sólo medir la turbiedad del agua bruta se podría estimar la dosis de coagulante a aplicar, antes de realizar un ensayo de jarras. Esto aporta una variante para la estimación de la dosis óptima, respecto de lo que se realiza habitualmente en plantas potabilizadoras y permite que instalaciones que no cuentan con equipos de jarras puedan estimar las dosis de coagulante a aplicar. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Manly, Bryan F.J.; Multivariate Statistical Methods, Chapman and Hall, Lothar, Sachs; Estadística aplicada, 565 pp. Editorial Labor, S. A.

8 3. Martínez, Víctor; Estadística Aplicada a la Ingeniería Ambiental, Diciembre Arboleda Valencia, Jorge; "Teoría y práctica de la purificación del agua". McGraw-Hill Book Company, Inc., tercera edición, tomo 1: 362 pp. y tomo 2: pp Di Bernardo, Luiz; "Métodos e técnicas de tratamento de água", volumen 1, 481 pp. Associaçao Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental Azevedo Netto, J. (et al.); "Técnica de abastecimento e tratamento de água", volumen 2, 317 pp. Convenio CETESB / ASCETESB, tercera edición Richter C.; Azevedo Netto, J.; "Tratamento de água: tecnología autorizada", 332 pp. Editora Edgard Blücher Ltda Evaluación de las Unidades Potabilizadoras UPA, Convenio entre Facultad de Ingeniería (UdelaR) y OSE, Ríos, Danilo; González, Elizabeth; López, Julieta; Plottier, Daniela; Broggi, Giuliana; Gómez, Cecilia; Lanfranconi, Armando; Un aporte a la modelación matemática del proceso de floculación en potabilización de aguas ; XXII Congreso Interamericano de AIDIS, Ríos, Danilo; López, Julieta; Plottier, Daniela; Broggi, Giuliana; Gómez, Cecilia; Lanfranconi, Armando; Formulación alternativa de las ecuaciones utilizadas para representar el proceso de floculación en potabilización de aguas, III Congreso Nacional de AIDIS, López, Julieta; Ríos, Danilo; González, Elizabeth; Plottier, Daniela; Broggi, Giuliana; Lanfranconi, Armando; Gavirondo, Martín; Pérez, Esteban; Es óptima la dosis óptima?, IV Congreso Nacional de AIDIS, 2003.