DETERMINACION DE LOS PARAMETROS HIDRAULICOS DE LA ZEOLITA NATURAL CUBANA COMO MATERIAL FILTRANTE Marquez Canosa Eduardo*, Herrera Vasconselos Tomas, Marquez Goma Ramiro Jose, Mondelo Rodriguez Abel INSTUTO SUPERIOR POLITECNICO JOSE ANTONIO ECHEVERRIA 127 S/N. CUJAE. MARIANAO, CIUDAD HABANA, CUBA CP-19390 FAX- (537) 332429 RESUMEN En el presente trabajo se exponen los resultados y experiencias obtenidas con la aplicación de la Zeolita Natural Cubana, en el proceso de filtración de aguas para consumo humano en dos etapas, a nivel de laboratorio y a nivel de planta potabilizadora. En la etapa de laboratorio se comparan 15 filtros de Zeolita con 15 filtros de Arena para determinar la influencia de diferentes parámetros hidráulicos como altura del lecho, carga hidráulica y velocidad de operación. En la etapa de prueba en planta se comparan dos filtros de Arena con uno de Zeolita. Se demuestran las buenas propiedades que presenta el filtro de Zeolita y la superioridad con los similares de Arena. INTRODUCCION El desarrollo de la humanidad ofrece una gran influencia sobre el medio ambiente, lo cual a obligado a que el campo de la ingeniería sanitaria se amplíe constantemente, abordando una gran cantidad de temas, entre los cuales, los relacionados con el agua y su calidad, ocupan un lugar preferente. El conocimiento más profundo de las diversas actividades que realiza el hombre con el agua hacen que cada día se investigue más en las tecnologías del tratamiento de las aguas y las aguas residuales. Una operación unitaria como la filtración, es una de las que más ha sido investigada, y paradójicamente se encuentra entre las que más le queda por investigar. Quizás dentro de todas las operaciones, la más antigua es la filtración y aún hoy en día, es también después de la desinfección, la más frecuente en todas las plantas potabilizadoras. TEORIA DE LA FILTRACION La filtración en una de las operaciones unitarias más importante en el tratamiento de agua para el consumo humano, su objetivo básico es separar las partículas y microorganismos objetables, que no han quedado retenido en los procesos de coagulación-floculación. En consecuencia el trabajo del filtro, depende directamente de la mayor o menor eficiencia de los procesos preparatorios. Los parámetros que influyen en la eficiencia de la filtración son, entre otros: (Arboleda 1973, Márquez et al 1995, Herrera 1992) Calidad de agua influente Granulometría del material filtrante Resistencia química y mecánica del material filtrante, forma de las partículas Altura del lecho Carga hidráulica Velocidad de operación Entre los materiales filtrantes más usados se encuentran la arena y la antracita, en la actualidad se reportan con muy buenos resultados materiales como el poliestireno y zeolita natural. (COX 1979, Sokolovie 1995, Nikoladze 1989, Márquez 1992, 1995).
El objetivo del presente trabajo es comparar filtros de arena sílice y zeolita natural con diferentes parámetros de operación a nivel de laboratorio y planta potabilizadora. MATERIALES Y METODOS Todas las corridas experimentales de nuestra investigación se llevaron a cabo en la Planta Potabilizadora diseño Degremont ubicada al norte de La Habana, el agua influente fue siempre salida del proceso de coagulación floculación. En la etapa de laboratorio las corridas se realizaron de forma aleatoria, utilizando una columna de acrílico de 2 m de altura y 0,054 m de diámetro, provista de 8 tomamuestras distanciados a 0,15 m y 8 piezómetros distanciados a 0,2 m. La arena sílice procede del yacimiento de Buena Vista en la Isla de la Juventud, presentando más de un 90% de óxido de silicio, con una granulometría entre 0,5-2,5 mm y diámetro promedio 1,0 mm y actualmente en uso en los filtros de la planta. La zeolita natural procede del yacimiento de Tazajera presentando más de 61% de material zeolítico, con una granulometría entre 0,5-2,5 mm y diámetro medio de 1,1 mm. Para el diseño de experimento se utilizó el diseño Box-BenHken, donde las variable a estudiar a tres niveles fueron Altura del material filtrante X 1 (m) (0,3); (0,55); (0,8) Carga hidráulica sobre el lecho X 2 (m) (0,55); (0,75); (0,95) Velocidad de filtración X 3 (m/h) ( 4,8); (10,04); (15,28) De la aplicación del diseño resultaron 15 corridas para cada material, en la tabla siguiente aparecen las variables codificadas. No. X 1 X 2 X 3 1 1 1 0 2 1-1 0 3-1 1 0 4-1 -1 0 5 1 0 1 6 1 0-1 7-1 0 1 8-1 0-1 9 0 1 1 10 0-1 1 11 0 1-1 12 0-1 -1 13 0 0 0 14 0 0 0 15 0 0 0 Tanto el agua influente como la filtrada se le determinó turbiedad, color, Cl 2 residual, oxidabilidad, ph y alcalinidad. En las pruebas a nivel de planta de tratamiento se comparan dos filtros de arena (filtros 2 y 3) con un filtro de zeolita (filtro 1) que presentan las siguientes características.
Todos son filtros rápidos a gravedad con 62 m 2 de área, para los de arena presentan 0,8 m de material filtrante, el de zeolita posee 0,3 m, ambos materiales presentan la granulometría reportada anteriormente. Los parámetros a controlar tanto en la operación de filtración como en el lavado fueron, velocidad de operación, volumen de agua, tiempo de la operación, % expansión, flujo de aire y agua para el lavado; así como las características físicoquímicas del agua influente y efluente. Todo el trabajo experimental fue realizado en el período octubre 1994 a julio 1995. En el caso de la zeolita natural, por usarse por primera vez en agua para consumo humano se le realizaron análisis toxicológicos por el Instituto Provincial de Higiene y Epidemiología, cumpliendo la misma con las normas vigentes. RESULTADOS EXPERIMENTALES Discutiremos los resultados experimentales por etapas de trabajo. ETAPA DE LABORATORIO Uno de los criterios para evaluar la eficiencia de un proceso de filtración es obtener mayores tiempos de servicios, garantizando una buena calidad en el efluente, con pérdidas de cargas aceptables. Para la determinación del tiempo de filtración en nuestras corridas se siguieron dos criterios; por calidad de agua efluente y por caída de presión. El criterio por calidad de agua fue garantizar durante toda la corrida que el filtro posea hasta un 20% de remoción en cuanto a turbiedad, el criterio por caída de presión es cuando las pérdidas de carga en el lecho se igualan a la carga hidrostática. Analizando los valores reportados en las tablas 1 y 2, para las diferentes corridas experimentales podemos plantear; que en los diferentes filtros de zeolita los tiempos de servicio están entre 18 y 50 horas, mientras que en los filtros de arena los tiempos obtenidos oscilan entre 6 y 16 horas, demostrándose que para los diferentes parámetros hidráulicos estudiados los tiempos de filtración de la zeolita están por encima de los mejores tiempos de filtración de la arena. Siendo la zeolita de forma general 2,89 veces superior a la arena; 2,28 veces para un espesor de 0,3 m, 3,33 para 0,55 y 2,75 para 0,8 m. Desde otro punto de vista, en cuanto al volumen de agua filtrada, la zeolita trata de 297L a 980L, mientras que la arena trata de 99L a 350L. Todo lo anterior pone de manifiesto la superioridad de la zeolita respecto a la arena, lo que de debe a su gran porosidad, de aquí la gran ventaja de los filtros de Zeolita. Estos resultados están en correspondencia con estudios anteriores realizado por los autores donde se demuestra que la Zeolita Natural Cubana logra de 1,5 a 2 veces mayores tiempos de filtración que los filtros convencionales de arena. El comportamiento de los diferentes filtros en cuanto a calidad del agua efluente, se puede observar de acuerdo a la remoción obtenida. Parámetro % Remoción del filtro %Remoción del filtro Zeolita Arena Turbiedad 20-60 20-50 Color 50-92 30-90 Oxidabilidad 20-45 10-20 Es de destacar que aún cuando la calidad del influente presenta valores entre 20 y 25 unidades de color, la respuesta del filtro de zeolita es estable, garantizando en todo momento una buena calidad del efluente (5-10 unidades de color)
Por mala calidad de agua fueron puesto fuera de servicio 4 ciclos de zeolita (1, 2, 3, 5) y 3 para la arena (2, 3, 15), esto es que la remoción es menor de un 20% y por tanto el efluente no cumple con el criterio de calidad que establecimos, no obstante poseer presión admisible para igualar la presión hidrostática, estos filtros son los que poseen la mayor carga hidráulica. El ph, cloro residual y alcalinidad se encuentran dentro de los parámetros establecidos. En todas las corridas el agua cumple con las normas para consumo humano. Desde el punto de vista de la caída de presión, la relación funcional entre altura del lecho y pérdida de carga inicial responden a: Zeolita Altura = 0,16 + 3,38 *(- P) Lecho (m) R 2 = 0,9997 Arena Altura = 0,28 + 1,68 *(- P) Lecho (m) R 2 = 0,978 Donde (- P) en m de agua Las pérdidas de cargas finales se reportan en las tablas 1 y 2 y están en el rango de (0,67-1,63)m para la Zeolita y (0,74-1,48)m para la Arena. Para la operación de lavado se reportan en los gráficos 1 y 2 para ambos materiales los parámetros más importantes de esta operación, pudiéndose plantear que el tiempo de lavado está entre (6-8)min para 30 y 50% de expansión e independiente del tipo de material. Turbiedad (NTU) Fig. 1 Operación de lavado filtros de Zeolita y Arena 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Tiempo (min) Velocidad (m/h) Fig.2 Velocidad de contralavado para diferentes lechos 120 100 80 60 40 20 0 0 0.5 1 Altura del lecho (m) 30% Zeol 50% Zeol 30% arena 50% arena ETAPA DE PLANTA En esta etapa se comparan dos filtros de arena instalados en la potabilizadora con un filtro de zeolita recién instalado. El análisis granulométrico de los materiales resultó para los filtros de arena que tienen un diámetro promedio de 1,16 mm con una talla efectiva TE= 1,3 mm y un coeficiente de uniformidad C.U= 1,34 mientras que para la zeolita el Dp= 1,2 mm, TE= 0,9 mm y C.U = 1,5. En esta planta existen 6 unidades de filtración y el caudal medio de entrada es de 400L/seg.
La velocidad de operación en el tiempo de mayor rendimiento del filtro para la zeolita oscilaba entre (3-9) m 3 /m 2 h y para la arena (3-5) m 3 /m 2 h El volumen de agua obtenido en diferentes corridas fue de 7400-9000 m 3 para zeolita, 6500-12000 m 3 para el filtro 2 y de 8800-11000 m 3 para el 3, aún con la gran diferencia de altura de material filtrante. Los tiempos de filtración en diferentes corridas están, para la zeolita entre (27-70)h, para el filtro 2, entre (43,5-75) h y el 3 (28-70) h Como resultado de la operación de lavado tenemos que para los tres filtros el caudal de agua de lavado fue de 23,5 m 3 /m 2 h, lo cual es adecuado como parámetro de operación; el % de expansión del lecho no superaba el 25%, encontrándose este valor en el rango indicado para este tipo de filtro, se determinó experimentalmente el tiempo de lavado coincidiendo entre 6-10 min. Los porciento de remoción fueron similares en los tres filtros pudiéndose reportar para la turbiedad entre 40-84%, color 33-66% y la oxidabilidad 20-30%. CONCLUSIONES 1. Se demuestra la superioridad del filtro de Zeolita con respecto a las convencionales de Arena. 2. La Zeolita Natural analizada presenta un buen comportamiento para diferentes rangos de los parámetros hidráulicos estudiados. 3. Se pueden operar filtros de Zeolita con pequeña altura del lecho, lo que los hace más eficientes desde el punto de vista de diseño de instalación
REFERENCIAS Arboleda J. Teoría Control y diseño de los procesos de tratamiento de agua. CEPIS, 1973 COX.Ch R. Práctica y Vigilancia de las operaciones de tratamiento de agua, 1979 Herrera V. Tomás et al. Utilización de las Zeolitas Naturales cubanas en el tratamiento de aguas XXIII Congreso de AIDIS, 1992 Márquez Canosa E. et al Características de las Zeolitas cubanas como Material Filtrante. Tecnología del agua. Reverttie vol (135). Marzo 1995 Nikoladze G. et al Water treatment for public and industrial supply. MIR. 1989 Sokolovie S.R. Poliestireno expandido granular como material filtrante. Simposio Internacional de Filtración y Separación. Salamanca 1995.
Tabla 1- Resultados de las corridas experimentales para filtros de Arena Entrada Salida Corr. T f P i T r σ Co σ Mo σ T r σ Co σ Mo σ 1 9.7 0.91 1.15 0.02 5 0.00 4.7 0.21 0.84 0.08 5 1.17 4.52 0.14 2 12.7 0.88 1.15 0.02 10 2.16 4.8 2.50 0.86 0.07 5 0.00 4.30 0.21 3 8.4 1.07 1.14 0.04 5 0.00 4.6 0.17 0.87 0.09 5 0.00 4.30 0.21 4 8.6 0.68 1.09 0.03 10 1.17 4.0 0.04 0.81 0.09 5 0.00 3.70 0.08 5 16.0 1.44 1.14 0.03 25 4.33 4.7 0.39 0.70 0.12 5 3.24 4.10 0.07 6 8.0 1.29 1.11 0.02 15 2.50 3.9 0.00 0.71 0.16 5 0.00 3.65 0.05 7 5.8 0.85 1.12 0.02 30 4.71 4.9 0.26 0.75 0.13 10 5.40 4.53 0.26 8 9.9 0.98 1.10 0.02 30 5.45 5.4 0.26 0.73 0.15 10 8.24 4.96 0.38 9 8.4 1.03 1.13 0.02 30 5.44 4.6 0.50 0.74 0.14 10 6.25 4.17 0.42 10 8.9 1.09 1.10 0.02 30 4.71 4.7 0.30 0.74 0.12 5 3.11 4.23 0.12 11 8.9 0.78 1.16 0.02 30 7.39 4.8 0.32 0.75 0.13 15 6.40 4.25 0.15 12 6.0 1.02 1.10 0.02 30 2.35 5.1 0.12 0.67 0.05 15 0.00 4.70 0.14 13 6.0 1.40 1.10 0.01 30 4.08 5.7 0.05 0.66 0.05 10 3.11 5.30 0.16 14 15.0 1.10 1.14 0.03 30 5.00 5.3 0.64 0.69 0.10 10 0.00 4.52 0.62 15 13.7 1.06 1.11 0.02 30 3.74 - - 0.74 0.13 10 4.06 5.05 0.15 Nomenclatura: T f : Tiempo de filtración (h) Pi : Caída de presión final (m de agua) σ : Desviación standart poblacional T r : Turbiedad promedio de entrada y salida (NTU) Co : Color promedio de entrada y salida (escala P t /C o ) Mo : Oxidabilidad promedio de entrada y salida (mg/l de O 2 consumido) Tabla 2- Resultados de las corridas experimentales para filtros de Zeolita Entrada Salida Corr. T f P i T r σ Co σ Mo σ T r σ Co σ Mo σ 1 22.8 0.81 1.15 0.04 15 3.73 4.31 0.34 0.67 0.13 5 0.00 3.80 0.28 2 26.8 0.67 1.15 0.03 20 5.80 2.00 2.00 0.72 0.14 5 0.00 2.26 1.16 3 22.6 0.81 1.04 0.04 10 3.57 4.02 0.34 0.66 0.12 5 0.93 3.67 0.30 4 17.6 0.81 1.00 0.03 10 2.67 - - 0.64 0.12 5 0.00 - - 5 48.4 0.52 1.26 0.12 20 5.81 4.11 0.35 0.70 0.22 10 0.53 3.36 0.68 6 26.0 1.47 1.23 0.13 20 2.08 3.45 0.48 0.67 0.18 10 1.53 3.00 0.44 7 22.0 0.93 1.05 0.03 20 4.71 4.28 0.20 0.79 0.13 10 2.67 3.78 0.13 8 28.0 1.19 1.15 0.04 25 4.68 4.29 0.54 0.79 0.12 10 3.17 4.00 0.42 9 26.8 1.32 1.18 0.07 20 3.75 4.55 0.49 0.70 0.16 5 0.83 4.15 0.40 10 27.2 1.14 1.13 0.03 20 4.40 3.86 0.56 0.70 0.16 5 2.58 3.51 0.49 11 26.6 0.81 1.13 0.03 15 1.33 3.95 0.68 0.60 0.13 5 1.24 3.25 0.53 12 20.0 1.17 1.13 0.03 15 1.58 4.12 0.19 0.67 0.06 5 0.00 3.55 0.21 13 20.0 1.42 1.16 0.02 15 2.00 3.66 0.08 0.67 0.09 5 1.00 3.04 0.11 14 32.0 1.14 1.16 0.03 10 2.16 4.20 0.07 0.70 0.10 5 0.83 3.08 0.22 15 33.0 1.55 1.16 0.03 15 2.04 4.15 0.30 0.67 0.11 5 1.25 3.70 0.77
CURRICULUM VITAE EDUARDO MARQUEZ CANOSA Graduado de Ingeniero Químico, es Profesor Asistente de la Facultad de Ingeniería Química del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Especialista en Ingeniería Sanitaria y Ambiental, imparte docencia en las asignaturas Fundamentos Químicos y Biológicos y Separaciones Mecánicas en Operaciones Unitarias; así como temas en asignaturas de tratamiento de aguas en la Maestría de Saneamiento Ambiental. Presenta 10 publicaciones en revistas especializadas, 4 de ellas en Revistas Internacionales; ha presentado trabajos como autor en 6 eventos y 3 de carácter nacional. En estos momentos desarrolla la parte experimental de su Tésis de Doctorado. Tiene en la actualidad 32 años