OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS EMPLEADOS EN LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA PARA UNA PLANTA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL

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1 OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS EMPLEADOS EN LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA PARA UNA PLANTA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL Claudia María Martínez Rojas Director: Álvaro Orozco Jaramillo RESUMEN En el proyecto se estableció una metodología para lograr la optimización de los procesos empleados en una planta de potabilización convencional de acuerdo a la caracterización de agua como fuente de abastecimiento y a la medición de parámetros de control de los procesos físico químicos. El caso aplicado correspondió a La planta de tratamiento de Facatativa en la que se logró optimizar su sistema de tratamiento convencional mediante la experimentación en laboratorio y empleando las características de sus aguas fuentes (superficiales y subterráneas). Palabras Claves Coagulación, Eutroficación, Preoxidación, trihalometanos. INTRODUCCION En una planta de potabilización de agua los procesos físico-químicos se refieren a los procesos que hay que realizar para transformar determinada calidad de agua cruda en una determinada calidad de agua tratada que sea apta para el consumo humano (Romero J; 1995), de aquí que la óptima operación de estos garantice el suministro de agua en la cantidad necesaria y con las condiciones que satisfagan las normas de potabilidad establecidas, minimizando al máximo posible los costos de tratamiento. En Acueductos Municipales se prefiere el empleo moderado de equipos y de poca automatización ya que su operación y mantenimiento requiere costos mayores. En cambio, si se busca optimizar al máximo la infraestructura existente para satisfacer las demandas más inmediatas (Arboleda; ). Por otra parte, la alta contaminación que en general se está propagando en las cuencas de los ríos que son fuentes de abastecimiento, obliga a las empresas prestadoras del servicio de agua potable a ir mas allá de la simple remoción de partículas, por cuanto el deterioro de una de sus fuentes implica mayores costos tanto en su propia recuperación como en el tratamiento de sus aguas. De lo anterior surge la necesidad de desarrollar una metodología para lograr dicha optimización a partir de las condiciones reales y basada en los limites socio-económicos, de tal forma que no sea indispensable el uso de nuevas tecnologías las cuales comúnmente van acompañadas de grandes

2 inversiones de dinero, siendo esto una forma de aprovechamiento de los procesos convencionales que son empleados usualmente para el tratamiento de agua potable. Objetivo General Revisar la medición de los parámetros de control de los procesos utilizados y realizar la completa caracterización de las aguas que sirven para el abastecimiento, con el fin de optimizar el sistema de tratamiento convencional de la planta de potabilización del Municipio de Facatativa, con base en la infraestructura existente. Características Generales La planta que se escogió para el estudio correspondió a la Planta de Potabilización del Municipio de Facatativa, de acuerdo a lo informado en la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Facatativa (EAAF), esta planta trata un caudal promedio de lps que en época de invierno corresponden a 1% agua superficial almacenada en embalses cercanos a sus instalaciones y en épocas de verano a mezclas en distintas proporciones de agua superficial y de agua subterránea proveniente de siete pozos que se ubican en el Municipio. El sistema inicial de tratamiento convencional se muestra en el esquema 1, como aspecto relevante se observa el proceso de aireación a través de una estructura en forma de escalera cuyo objeto es oxidar el hierro que traen las aguas de pozo, igualmente y después de suceder la mezcla de las aguas y la adición del coagulante se utiliza un proceso de precloración con el fin de terminar de oxidar el remanente hierro que no logró ser oxidado en la aireación, seguidamente se encuentra una trayectoria de un sistema convencional. POZOS EMBALS E S Sulfato de A lum inio Precloración UNIDADES DE FLOCULACIÓN HIDRAULICA SEDIMENTACION CONVENCIONAL SEDIMENTACIÓN ALTA TASA FILTROS DE LECHO MIXTO Y FLUJO DESCENDENTE DESINFECCION Metodología Esquema 1. Sistema de tratamiento convencional inicial de la planta de Facatativa La investigación presentó las siguientes fases: 1. Análisis de la calidad inicial del agua tratada, para lo cual se empleó el decreto 75/9. Caracterización de las aguas fuentes (superficiales, subterráneas y diferentes mezclas de ellas en distintas proporciones), en esta fase se incluyó la completa caracterización de los cuatro embalses. 3. Planteamiento de la optimización de los procesos, por medio de varias pruebas de jarras, empleando las fuente de agua analizadas en la fase anterior.

3 . Estudio del Proceso de preoxidación usando como parámetro de control el Hierro que aportan las aguas de pozo. 5. Monitoreo del cloro residual y de los subproductos de desinfección (Trihalometanos) en la red de acueducto del Municipio de Facatativa. Resultados 1. Calidad inicial del agua tratada Con base en los registros históricos de la planta y en resultados de ensayos realizados durante la investigación se encontraron las siguientes características: Cuando se empleaban mezclas de las aguas se obtenía un color real efluente mayor que el afluente de la Planta. En esta primera fase se planteó la siguiente Hipótesis: El hierro que aporta el agua de pozo no se oxida completamente dentro del sistema convencional de la planta y su oxidación progresiva repercute en este aumento de color. Cuando se usaban porcentajes altos de Agua de Embalse (>3%)., se obtenían alcalinidades y ph bajos fuera de la norma (Dto 75/9), lo cual advierte un agua muy corrosiva (Jenkins D y Snoeyink V; 1997). En muestreos realizados en la red de acueducto se encontró una concentración de cloro residual <.1 mg/l, sin presencia de Coliformes, lo que permitía suponer un consumo por oxidación de hierro u oxidación de materia orgánica siendo esta ultima un factor que permite suponer la presencia de trihalometanos (Arboleda; ).. Caracterización de aguas fuentes Al igual que la fase anterior se contó con los registro históricos y con los resultados obtenidos durante la investigación. Agua superficial: Este tipo de agua presentó las siguientes características: ph<., Alcalinidad baja < 5 mg/l, color alto y turbiedad media. Los datos de DBO 5, entre 5.1 y.19 mg /L, de acuerdo a los lineamientos del RAS/9 Titulo B esta fuente es considerada deficiente. Ensayos bacteriológicos C. Totales (13 a 19 x 1 3 por cada 1 cm 3 ) y E. coli ( a por cada 1 cm 3 ) en el agua cruda. Agua Subterránea: Este tipo de agua presentó las siguientes características: ph>.5 Alcalinidad alta ( > mg/l), Hierro alto (> mg/l) y Dureza alta (>9 mg/l). Mezclas : Para proporciones de embalse 7 % se encontraron [Fe] bajas, [COT] altas, alcalinidad baja y ph bajo. Para proporciones de pozo 3% se encontraron [Fe] altas, [COT] bajas, (alcalinidad y ph ) adecuados para coagulación. Debido a que la fuente superficial se encontró deficiente, se decidió realizar la caracterización de los embalse que se observaban inundados por macrófitas, teniendo como criterios de evaluación los siguientes (Roldán P; 199) : 1. Mediciones de Fósforo, como nutriente limitante. Variaciones de CO y OD Ciclo Día noche 3. Variaciones de CO y OD en perfiles de superficie a fondo. Los datos de concentraciones de fósforo fueron mayores a los 5 µg/l en todos los embalses indicando que existe una fuente que aporta constantemente nutrientes a los cuerpos de agua.

4 En cuanto a los dos últimos criterios, se obtuvieron graficas que indicaron un estado mesotrófico 1 (véase graficas 1 y ), en estas se observa que aún no alcanzan una desoxigenación completa (Roldán P; 199). Profundidad (m) Curva del Oxígeno y Dióxido de carbono en la mitad del embalse Gatillo Cero mg/l de O y CO O.D Dióxido de carbono Grafica 1. Perfiles de superficie a fondo. CO y OD Oxígeno y Dióxido de carbono (mg/l Variación de O y CO en el ciclo Día - Noche en el Punto m edio d e l Em b a ls e Ga tillo : a.m :5 p.m :3 p.m : a.m :17 a.m. Día Grafica. Variaciones de CO y OD. Ciclo día - noche O.D Noche Dióxido de carbono 3. Optimización de procesos Esta fase se realizó en tres etapas (Arboleda; ): 1. Optimización de la dosis de coagulante (Sulfato de Aluminio). Optimización del ph para coagulación 3. Optimización del Gradiente y tiempo para Floculación Los resultados finales se muestran a continuación: Para todos los tipos de agua el Gradiente y Tiempo de Floculación fueron similares a los usados en La Planta (1 s-1 y min). Embalse 1% : Es necesario ajustar el ph natural a un ph= 7., mediante adición de cal, la dosis óptima de alumbre fue de 5 mg/l. En estas condiciones se alcanza una remoción de turbiedad del 9% y una remoción de color del 9%. Pozo 1%: Para este tipo de agua resultó difícil obtener un óptimo ya que el color sube con respecto al efluente (véase grafica 3 y tabla 1) y el hierro no se oxida completamente, el ph óptimo fue igual al ph natural =.7. 1 Proceso mediante el cual el enriquecimiento de nutrientes ocasiona un crecimiento moderado de algas que no alcanzan a ocasionar la desoxigenación en el embalse.

5 Turbiedad del agua sedimentada U.N.T Determinación de la dosis óptima de sulfato de Aluminio para el agua de pozo 1% MEJOR JARRA mg/l de Al (SO ) 3 Grafica 3. Determinación de condiciones óptimas para el agua de pozo Color real del agua sedimentada Hazen Turbiedad Color POZO 1% DOSIS OPTIMA Sulfato de Aluminio = 1 mg/l Agua Parámetro Fuente Sedimentada ph,7, Color real 1 1 turbiedad UNT 3,3 1, Alcalinidad mg/l CaCO 3 59 Coagulante mg/l Hierro Total mg/l 3,775,39 Tabla 1. Condiciones de optimización para el agua de pozo. Mezclas: En la mezcla 5% E + 75% P. El ph óptimo para remoción de turbiedad no coincide con el ph óptimo para remoción de color siendo este último igual a 7. con adición de. mg/l de Cal. En la mezcla 5% P + 75% E, debido a que la proporción de agua de embalse es mayor el ph óptimo fue de 7. con adición de. mg/l de Cal y el ensayo presenta condiciones similares al agua de embalse 1%.. Estudio de la Preoxidación Teniendo en cuenta el problema de color observado y relacionándolo con la oxidación del hierro se realizaron las siguientes mediciones correspondientes a las diferentes formas de hierro y a las variaciones de color a través de los procesos convencionales del esquema inicial de la planta (véase esquema 1). 7,, Variaciones de color Hierro mg/l 5,, 3,, 1, 1 1, Pozos influentes Después aireación Mezcla agua de Embalse Después de Coagulación Después de Precloración Floculación Puntos de muestreo salida de sedimentación filtración Hierro Total Hierro soluble sin oxidar Hierro insoluble oxidado Desinfección Grafica. Variaciones de las formas de hierro a través de los Procesos del esquema inicial de la Planta Puntos de m uestreo Color Real U.C Grafica 5. Variaciones de color según esquema inicial de la Planta Los resultados que se ven en las graficas y 5, indican que el hierro no se oxida en el proceso de la precloración y a la salida de los filtros aún se encuentra hierro soluble sin oxidar, el cual empieza su proceso de oxidación al adicionar el cloro de la desinfección, produciendo color al final del tratamiento. Por lo tanto el punto de aplicación del cloro no era correcto ya que el oxidar hierro después de coagulación no presenta ningún efecto y en cambio si repercute en costos para la operación de la planta. Adicionalmente la oxidación del Fe (II) combinado con la materia orgánica aportada por el agua de embalse inhibe la oxidación del hierro (Deng Y y Stumm 1993).

6 Planteamiento de la solución: Consistió en cambiar el punto de aplicación de la precloración inmediatamente después de la caída de la aireación, de tal forma que se obtuvieran las siguientes ventajas: Aprovechar la turbulencia allí producida para la adecuada mezcla del cloro. Oxidar la materia orgánica, de tal manera que el hierro no tenga con que combinarse (Deng Y y Stumm 1993). Proporcionar suficiente tiempo de contacto, de tal forma que se lograra la completa oxidación del hierro y al adicionar el coagulante este se encontrara en una forma insoluble y quedara atrapado por los flocs para su posterior sedimentación. El esquema actual en funcionamiento de la planta se muestra a continuación: EMBALSES POZOS Precloración Sulfato de A lum inio UNIDADES DE FLOCULACIÓN HIDRAULICA SEDIMENTACION CONVENCIONAL SEDIMENTACIÓN ALTA TASA FILTROS DE LECHO MIXTO Y FLUJO DESCENDENTE DESINFECCION Esquema. Sistema de tratamiento convencional actual en funcionamiento de la Planta de Facatativa De acuerdo a este esquema, se realizaron nuevamente mediciones de las formas de hierro y variaciones de color a través de los procesos Hierro mg/l 7,, 5,, 3,, 1,, Pozos influentes Después aireación Después de precloración Después de Coagulación Floculación salida de sedimentación filtración Agua tratada Puntos de muestreo Hierro Total Hierro soluble sin oxidar Hierro insoluble oxidado Grafica. Variaciones de las formas de hierro a través de los Procesos del esquema actual de la Planta Color real U.C Variaciones de Color 1 1 Puntos de muestreo Color real Hazen Grafica 7. Variaciones de color según esquema actual de la Planta

7 De esta forma, en la sedimentación se logra el 9% de sedimentación del hierro total completamente oxidado y desaparece totalmente el hierro soluble, finalmente en los filtros se retienen. mg/l de hierro Total alcanzándose un efluente de.1mg/l de Hierro Total. Así entonces el cloro adicionado en el proceso de desinfección no actúa como oxidante si no únicamente como desinfectante que es el fin principal de esta etapa (Arboleda; ). 5. Monitoreo del cloro residual y de los subproductos de desinfección (Trihalometanos ) en la red de acueducto del Municipio de Facatativa Debido a que en la planta se usa precloración y postcloración en todas las ocasiones y teniendo en cuenta que el agua superficial aporta materia orgánica, se tomaron muestras en tres puntos lejanos a la planta de tratamiento en la red de acueducto. Debe garantizarse que la desinfección con cloro no produzca trihalometanos al final de la red superior a lo indicado por la norma. THMs totales inferior a.1 mg/l (Decreto 75 de marzo 1 de 199). En esta fase se encontraron concentraciones menores de. p.p.b de THMs Totales, lo que indica que en la planta no se presentan condiciones para la formación de estos compuestos (Decreto 75 de marzo 1 de 199). CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El uso de una dosis óptima de alumbre encontrada a través de una prueba de jarras y el uso de una dosis adecuada de cal que alcance un ph de 7 para el agua de embalse o para mezclas donde la proporción de esta agua sea mayor, es efectivo para remoción de color y turbiedad. Sin necesidad de hacer precloración la cual a parte de crear incertidumbre en la presencia de trihalometanos, repercute en costos innecesarios en la Planta. De la misma forma se recomienda que se continúen monitoreando periódicamente estos compuestos en la red. Se recomienda no clorar y adicionar cal al mismo tiempo, ya que ocasionaría la completa inhibición al proceso de desinfección, el cual tiene su máxima eficiencia a ph bajos; se debe entonces, adicionar cal después del tiempo de contacto de desinfección, con el fin de subir el ph (Jenkins D y Snoeyink V; 1997). Oxidar hierro después de coagulación no presenta ningún efecto y en cambio si repercute en costos para la operación de la planta. En cuanto a los embalses se recomienda aprovechar el verano para remover las macrófitas y realizar un seguimiento periódico a los embalses, con el fin de detectar la fuente de Nutrientes, esto implica la protección de la cuenca, con el fin de controlar el avance del estado de eutroficación en estos cuerpos de agua (Roldán P; 199). Subproductos de la cloración, potencialmente cancerígenos (Cloroformo, Bromodiclorometano, Clorodibromometano Bromoformo). La formación de estos compuestos depende de la concentración precursora (materia orgánica) y el tiempo de contacto.

8 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS APHA, AWWA, WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 17 Edition Arboleda Valencia Jorge. Teoría y Practica de la Purificación del Agua. Tercera Edición, Tomos 1 y.. Deng Y y Stumm W. Kinetics of Redos Cycling of Iron Coupled with Fulvic Acid. Aquatic Sciences, Vol Jenkins David y Snoeyink Veron L. Química del Agua República de Colombia: Ministerio de Salud. Decreto 75 de Marzo 1 de 199. Roldán Pérez Gabriel. Fundamentos de Limnología Neotropical. Vol Romero Jairo Alberto. Acuipurificación Diseño de Sistemas de Purificación de Aguas. Escuela Colombiana de Ingeniería