ESTUDIO DE TRES PROCESOS PARA LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE FLUORUROS EN AGUAS DE ABASTECIMIENTO PÚBLICO Y SU EFECTO SOBRE LA REMOCIÓN DE ARSÉNICO

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1 XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002 ESTUDIO DE TRES PROCESOS PARA LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE FLUORUROS EN AGUAS DE ABASTECIMIENTO PÚBLICO Y SU EFECTO SOBRE LA REMOCIÓN DE ARSÉNICO Jorge L. de Victorica Almeida.* Instituto de Ingeniería, UNAM Es doctor en Ingeniería Ambiental. Inició sus actividades profesionales como investigador, en el Instituto Mexicano del Petróleo y luego en el Centro de Investigación y Entrenamiento para el Control de la calidad del Agua, de la ahora SEMARNAT. Desde 1979 labora como investigador en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Sus líneas de investigación son la ingeniería de procesos para el tratamiento de aguas y aguas residuales y la de modelos matemáticos de calidad del agua para ríos, lagos y embalses. También es profesor del Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM. Matilde Galván García. Instituto de Ingeniería, UNAM Fulvio Mendoza Rosas. Facultad de Química, UNAM * Instituto de Ingeniería, UNAM. Cd. Universitaria, Coyoacan. C.P , México, D.F.. Tel ; Fax: ; jva@pumas.iingen.unam.mx. RESUMEN En diversos estados de la República Mexicana, tales como Chihuahua, Zacatecas, Durango, Baja California Norte, San Luis Potosí y Aguascalientes, entre otros, existen regiones en las que el agua destinada al consumo humano, contiene concentraciones de fluoruros que exceden el valor norma de 1.5 mg/l. Esta ha provocado serios problemas de salud en la población consumidora. Los resultados de un trabajo experimental realizado en 1998, en el que se probaron y validaron varias técnicas para la remoción de fluoruros, mostraron que las conocidas como Alúmina activada, Nalconada y Carbón de hueso, son las más factibles de aplicar en nuestro país por su eficiencia, costo y disponibilidad de equipo y materiales. Aplicando cualquiera de las tres se obtuvieron, en el efluente tratado, concentraciones de fluoruros de hasta 1.5 mg/l y menores, partiendo de una concentración inicial del orden de los 4 mg/l. También se tuvo evidencia presuntiva de que es posible reducir, en forma conjunta, las concentraciones de flúor y arsénico del agua que los contiene, aplicando cualquiera de los procesos mencionados. En este escrito se presentan los resultados de un trabajo experimental, realizado de acuerdo con un diseño estadístico del tipo factorial de efectos fijos y en condiciones de campo reales, para determinar cuál de los procesos arriba mencionados, bajo condiciones óptimas de operación, era el más eficiente para la reducción de las concentraciones de fluoruros y sus efectos sobre la remoción de arsénico. De los resultados de este trabajo se concluye que es posible, con el proceso de la Nalconada, reducir conjuntamente, de manera eficiente y a un costo relativamente bajo ($3.60/m 3 ) el contenido de fluoruros y arsénico en el agua, desde 6.33 mg/l y 0.23 mg/l hasta mg/l y mg/l de fluoruros y arsénico, respectivamente; estas magnitudes que están por debajo de los valores norma de 1.5 mg/l y mg/l, para cada uno de ellos. Así mismo, este proceso garantiza el cumplimiento de la concentración de mg/l de arsénico, propuesto como valor norma para el año 2005 para agua destinada al abastecimiento público. Palabras Clave: Potabilización, Abastecimiento, Flúor, Arsénico, Normativa. INTRODUCCIÓN 1

2 En diversos estados de la República Mexicana, tales como Chihuahua, Zacatecas, Durango, Baja California Norte, San Luis Potosí y Aguascalientes, entre otros, existen regiones en las que el agua destinada al consumo humano, contiene concentraciones de fluoruros que exceden el valor norma de 1.5 mg/l como puede verse en la tabla 1. Esta agua con exceso de fluoruros ha provocado serios problemas de salud en la población consumidora. TABLA 1: Concentración promedio de fluoruros en el agua de algunas localidades de la República Mexicana (Durán, 1980) LOCALIDAD CONC. MAX. DE FLUORUROS (ppm) Aguascalientes, Ags. 2.6 Ensenada, BCN 1.4 Tijuana, BCN 3.0 Cd. Camargo, Chih Parral, Chih. 1.5 Chihuahua, Chih. 2.8 Salamanca, Gto Lagos de Moreno, Jal. 1.5 San Luis Potosí, SLP 3.5 Hermosillo, Son. 1.1 Río Bravo, Tamps. 1.3 La Piedad, Mich En un estudio más reciente, Heredia (1997), se detectaron concentraciones de entre 0.05 hasta mg/l de flúor en el Valle de Guadiana, Dgo. Además, en algunos pozos del estado de Chihuahua, en el año 2000, se midieron concentraciones de 1.91 a 3.04 mg/l, Espino (2001). Los resultados de un trabajo experimental realizado en 1998, Mendoza (1998), en el que se probaron y validaron técnicamente varios procesos para la remoción de fluoruros, mostraron que los conocidos como Alúmina activada, Nalconada y Carbón de hueso, son los más factibles de aplicar en nuestro país por su eficiencia, costo y disponibiliad de equipo y materiales. En la tabla 2 se muestran los criterios considerados en dicha evaluación técnica, así como los resultados obtenidos de ésta. Cabe señalar que el proceso con rocas de fósiles marinos no fue considerado como opción, por no haber disposición de la materia prima. Con esta base, aplicando cualquiera de los tres procesos factibles, se obtuvieron en el efluente tratado concentraciones de fluoruros de hasta 1.5 mg/l y menores como puede notarse en la figura 1, partiendo de una concentración inicial del orden de los 4 mg/l. También se obtuvo evidencia presuntiva de que es posible reducir, en forma conjunta, las concentraciones de flúor y arsénico del agua que los contiene, aplicando cualquiera de los procesos mencionados. 2

3 TABLA 2: Evaluación técnica de algunos procesos para la remoción de los fluoruros presentes en el agua de abastecimiento Calificación para el método de Concepto/Ruta remoción* Escala de calificación Criterio con mayor puntuación Materia Prima Mayor disponibilidad Lodos Menos lodos Toxicidad Menos tóxicos Regeneración Regeneración de materiales Operaciones Unitarias Menos operaciones involucradas Cantidad de Menos reactivos Reactivos Total *1) Técnica de la Nalconada, 2) Alúmina activada, 3) Carbón Animal, 4) Fosfato tricálcico (hueso sintético), 5) Lodo de fosfato de aluminio, 6) Rocas de fósiles marinos tratadas con sulfato de aluminio, 7) Lodo de sílica-gel Fresidual 4.5 (mg/l) Tiempo (min) ALÚMINA CARBÓN NALCONDA Figura 1: Flúor residual para distintos procesos en función del tiempo de mezclado. METODOLOGÍA No obstante que es posible incorporar a los procesos de potabilización convencional alguno de los procesos específicos para la remoción de los fluoruros, en otro estudio realizado en el año 2001 (De Victorica et al., 2001) fue necesario probarlos en condiciones reales y determinar, para el mejor de ellos, los parámetros para el diseño de una planta a escala piloto y, de ésta, los correspondientes para el diseño en prototipo, así como verificar, en cada uno de dichos procesos, si había o no efectos conjuntos de remoción de Flúor y Arsénico. Las pruebas se realizaron de acuerdo con diseños estadísticos del tipo factorial de efectos fijos, Montgomery (1991). Para las pruebas de las técnicas del Carbón Animal y Alúmina Activada, se definieron como variables o factores independientes el ph, la carga hidráulica superficial (flux) y la altura del lecho para las pruebas en columnas. En ambos 3

4 casos se consideró como variable dependiente o de respuesta, a la concentración remanente de fluoruros. Para la técnica de la Nalconada, se consideraron como variables independientes la dosis de sulfato de aluminio, Al 2 (SO 4 ) 3, la alcalinidad y el tiempo de contacto. Como variable de respuesta, al igual que en las técnicas anteriores, se consideró la concentración remanente de fluoruros. Los niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso son presentados en la tabla 3. La fuente de agua para desarrollar las pruebas, procedió de un pozo cuyos análisis químicos del agua reportan, Espino (2001), como dato más reciente, concentración de Flúor de 6.33 mg/l y de Arsénico de 0.23 mg/l. TABLA 3: Niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso VARIABLES PROCESOS ALÚMINA CARBÓN NALCONADA ph 3,5,6,7,8 y 10 3,5,6,7,8 y 10 Natural Dosis Al 2 (SO 4 ) 3 0, 200, 400, (mg/l) no aplica no aplica 600, 800, 1000 y 1200 Alcalinidad (mg/l) natural natural Natural, 400 Y 500 Flux 1.51, 3.03, 1.51, 3.03, no aplica (gal/min ft 2 ) 4.54 y y 6.05 Tiempo de contacto , 30, 45 y 60 (min) Altura del lecho (m) 0.7, 1.4 y , 1.4 y 2.1 no aplica Una vez determinadas las mejores condiciones de operación para cada técnica como se indican en la tabla 4, además de cuantificar, por triplicado, el efecto de estas condiciones sobre la remoción de fluoruros en el agua proveniente del pozo, se cuantificó el efecto sobre la reducción de las concentraciones de arsénico presentes en la misma agua. TABLA 4: Mejores condiciones de operación para las técnicas probadas PROCESOS ALÚMINA CARBÓN DE HUESO NALCONADA ACTIVADA ph óptimo = natural Flux = 6.05 gal/min ft 2 Altura de lecho = 1.4 m ph óptimo = natural Flux = 6.05 gal/min ft 2 Altura de lecho = 0.7 m Alcalinidad = 400 mg CaCO 3 /L Dosis Al 2 (SO 4 ) 3 = 400 mg/l t a = 15 minutos t sed = 30 minutos Para el análisis y evaluación de los resultados, las pruebas estadísticas practicadas se basaron en el análisis de variancia fundamentado en la distribución de Fisher (prueba F) a un nivel de confianza de 99% y, mediante el procedimiento de l as comparaciones múltiples de Duncan, se determinó entre qué niveles de las variables probadas existían, desde el punto de vista estadístico, diferencias significativas en las concentraciones residuales de fluoruros. El mismo procedimiento se aplicó para la evaluación del efecto de las técnicas, en sus mejores condiciones de operación, sobre la remoción del contenido de arsénico. RESULTADOS Los principales resultados obtenidos se muestran en la tabla 5 y gráficos 2 y 3 los cuales, con base en el análisis estadístico, permiten afirmar que el proceso de Adsorción con Carbón de Hueso es el más eficiente para la remoción de fluoruros y el menos eficiente para la remoción de arsénico; esto es, se pueden lograr concentraciones residuales de fluoruros hasta de mg/l, valor muy por debajo del valor norma, más no así para el arsénico, ya que la máxima 4

5 concentración residual obtenida fue de mg/l, magnitud que rebasa la concentración de mg/l establecida como valor norma actual para México. Aunque se asegura que este proceso es efectivo para remover el arsénico del agua, cabe recordar que toda la experimentación se realizó buscando la optimización de los procesos para la remoción de fluoruros y no para la remoción del arsénico, por lo que se cree posible que este proceso pueda ser efectivo para la remoción de arsénico bajo condiciones de operación diferentes a las realizadas en este estudio. En lo que se refiere al proceso de la Alúmina, es el menos eficiente para la remoción de fluoruros, ya que aunque se logró reducirlo hasta un valor de mg/l no satisface el valor norma de 1.5 mg/l y, en cuanto al efecto de este proceso sobre la remoción de arsénico, aunque más eficiente que el proceso de adsorción con carbón, no fue suficiente para lograr un residual similar al valor norma actual, dado que la máxima concentración residual de arsénico obtenida fue de mg/l. Cabe señalar, que con este proceso se piensa que es posible obtener, al igual que con el proceso de adsorción con carbón, concentraciones residuales de arsénico que satisfagan el valor norma bajo otras condiciones de operación del proceso no ensayadas en el presente estudio. Por lo que toca al proceso de la Nalconada, éste resultó ser el más indicado para la remoción conjunta de fluoruros y arsénico, ya que aunque menos eficiente que el proceso de adsorción con carbón para remover los fluoruros, se logró reducir su concentración hasta mg/l, magnitud que cumple satisfactoriamente con el valor norma para este parámetro. En cuanto a la remoción de arsénico, este proceso resultó ser el más eficiente, ya que es posible lograr concentraciones de arsénico de mg/l en el efluente, concentración muy por debajo del valor norma actual, con lo que se puede cumplir también con el valor norma de mg/l propuesto para el año TABLA 5: Niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso VARIABLES PROCESOS ALÚMINA CARBÓN NALCONADA ph 3,5,6,7,8 y 10 3,5,6,7,8 y 10 Natural Dosis Al 2 (SO 4 ) 3 (mg/l) 0, 200, 400, 600, no aplica no aplica 800, 1000 y 1200 Alcalinidad (mg/l) natural natural Natural, 400 Y 500 Flux (gal/min ft 2 ) 1.51, 3.03, 4.54 y , 3.03, 4.54 y 6.05 No aplica Tiempo de contacto (min) , 30, 45 y 60 Altura del lecho (m) 0.7, 1.4 y , 1.4 y 2.1 No aplica 5.0 F- res (mg/l) ph 10 Figura 2: Efecto del ph sobre la remoción de fluoruros (alúmina activada) 5

6 F- res (mg/l) Flux (gal/min ft2) 0.7 m 1.4 m 2.1 m Figura 3: Efecto del flux y altura del lecho sobre la remoción de fluoruros (alúmina activada) En lo que se refiere a los costos, para su estimación se tomó en cuenta la capacidad adsortiva de los materiales, el caudal de agua por tratar, la concentración inicial y final, los costos de las materias primas y su vida útil, así como el costo por su regeneración (10% del costo del material). Con base en lo anterior, se estimó un costo unitario de $5.3/m 3 de agua tratada para el proceso de Adsorción con carbón; de $18.90/m 3 de agua tratada para el proceso de la Alúmina activada y de $3.60/m 3 de agua tratada para la técnica de la Nalconada. De los resultados de este trabajo se concluye que es posible, con el procesos de la Nalconada, eliminar conjuntamente, de manera eficiente y a un costo relativamente bajo el contenido de fluoruros y arsénico del agua destinada al consumo humano, hasta por debajo de los valores norma, Así mismo, este proceso garantiza el cumplimiento de la concentración de mg/l de arsénico, propuesto como valor norma para el año 2005 para agua destinada al abastecimiento público. Agradecimientos.- Los autores agradecen a las autoridades de la Gerencia de Potabilización y Tratamiento de la Subdirección General de Construcción de la Comisión Nacional del Agua, el auspicio para la realización de este trabajo de investigación. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS De Victorica A.J., Galván G.M., Mendoza R.F., Anaya P.R. (2001) Estudio del proceso para remover las concentraciones de flúor en exceso en aguas para abastecimiento público. Estudio realizado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM para la Comisión Nacional del Agua. Durán C. Carmen. (1980) Fluoración en abastecimiento de agua potable. Tesis de Licenciatura. Fac. de Química, UNAM. México, D.F. Espino V.M. (2001) Junta Central de Agua y Saneamiento del estado de Chihuahua, México (comunicación personal). Heredia D.M. (1997) Gerencia de Potabilización y Tratamiento; Subdirección General de Construccón, Comisión Nacional del Agua, México, D.F. (comunicación personal) Mendoza R.F. (1998) Estudio de tratabilidad para reducir las concentraciones de fluoruro en el agua de abastecimiento. Tesis de Maestría en Ingeniería Ambiental. División de Estudios de Posgrado-Facultad de Ingeniería, UNAM, México, D.F. Motngomery D.C. (1991) Diseño y Análisis de Experimentos, Grupo Editorial Iberoamérica, S.A. de C.V. México, D.F. 6