Curso de Especialización en Tratamiento de Aguas Residuales

Prof: Ing. Juan Carlos Alarcón Condor

Procesos Físicos /Químicos de Tratamiento –Coagulación /Floculación/Decantación

El tratamiento físico químico del agua residual tiene como finalidadmediante la adición de ciertos productos químicos, la alteración delestado físico de estas sustancias que permanecerían por tiempoindefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptiblesde separación por sedimentación.

ETAPAS DEL TRATAMIENTO FÍSICO-QUÍMICO

1. Coagulación.

La coagulación consiste en desestabilizar los coloides por neutralizaciónde sus cargas, dando lugar a la formación de un floculo o precipitado.

2. Floculación.

La floculación trata la unión entre los flóculos ya formados con el fin aumentarsu volumen y peso de forma que pueden decantar Consiste en la captaciónmecánica de las partículas neutralizadas dando lugar a un entramado desólidos de mayor volumen. De esta forma, se consigue un aumentoconsiderable del tamaño y la densidad de las partículas coaguladas,aumentando por tanto la velocidad de sedimentación de los flóculos.

3. Decantación o Flotación.

Esta ultima etapa tiene como finalidad el separar los agregadosformados en agua.

Los factores que influyen en el proceso de coagulación:

a) pH

EL pH es un factor crítico en el proceso de coagulación. Siempre hay un intervalo de pH en el que un coagulante específico trabaja mejor, que coincide con el mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado.

Siempre que sea posible, la coagulación se debe efectuar dentro de esta zona óptima de pH, ya que de lo contrario se podría dar un desperdicio de productos químicos y un descenso del rendimiento de la planta.

Si el pH del agua no fuera el adecuado, se puede modificar mediante el uso de coadyuvantes o ayudantes de la coagulación, entre los que se encuentran:Cal.Carbonato sódico.Sosa Cáustica.Ácidos minerales.

b) Agitación rápida de la mezcla.

Para que la coagulación sea óptima, es necesario que la neutralización de los coloides sea total antes de que comience a formarse el flóculo o precipitado.

Por lo tanto, al ser la neutralización de los coloides el principal objetivo que se pretende en el momento de la introducción del coagulante, es necesario que el reactivo empleado se difunda con la mayor rapidez posible, ya que el tiempo de coagulación es muy corto (1sg).

c) Tipo y cantidad de coagulante.

Los coagulantes principalmente utilizados son las sales de aluminio y de hierro.

La precipitación química en el tratamiento de aguas lleva consigo la adición deproductos químicos con la finalidad de alterar el estado químico de los solidosdisueltos y en suspensión, facilitando su eliminación por sedimentación.

También se ha desarrollado procesos químicos para la eliminación del fósforopor precipitación química .

Fuente: Metcalf & Eddy

Es la formación de compuestos insolubles de elementos que no deseamos contener en un agua, mediante reactivos apropiados

Los casos mas comunes es la de:

• Precipitación de de los iones Ca+2 , Mg+2 • Hidroxidos Metalicos• Eliminación del fosforo

Algunos reactivos llevan el pH a valores aceptables, y favorecen la precipitación de la mayor parte de los metales pesados que pueda contener el agua.

Precipitación de hidróxidos metálicos

• Se trata de la eliminación de metales pesados como el cadmio, cobre, cromo, níquel, cinc, hierro que se pueden encontrar en algunas aguas residuales.

• Estos metales siempre que se encuentren en estado de iones y no complejos de precipitar en forma de hidróxidos o hidrocarbonatos.

• Esto en un PH característico de cada uno de ellos que puede estar entre 8.5 y 9.5 aprox.

Precipitación química para la eliminación de fosfatos

• Para este fin se utilizan las sales metalicas comunes como el cloruro de hierro y el sulfato de alúmina, algunos polimeros tambíen dan buenos resultados.

• La CAL tambien podria ser usada pero genera mayor cantidad de lodos

Química de la eliminación de fosfatos

• La precipitación química del fosforo se consigue mediante la adicion de salesde iones de metales de multiples valencias que forman precipitados defosfatos escasamente solubles .

• El calcio se suele añadir en forma de CAL Ca(OH)2

Fuente: Metcalf & Eddy

Forma química de los precipitados

• En este caso, los metales se precipitan en forma de hidróxidos,que forman un material coloidal que tiende a permanecer ensuspensión; es preciso entonces promover la separación de loshidróxidos de la fase líquida, lo que puede conseguirse con laagregación de floculantes.

• Cr 3+ + OH - => Cr (OH)3 • Mn2+ + OH - => Mn (OH)2

Metcalf & Eddy

Los procesos químicos de oxidación usan oxidantes (químicos) para reducirlos niveles DQO-DBO.

Las aguas residuales industriales o las aguas subterráneascontaminadas contienen con frecuencia sustancias orgánicas difícilesde degradar; entre éstas se incluyen, por ejemplo, los hidrocarburosclorados. Estas sustancias se pueden oxidar químicamente, lograndoasí su eliminación.

Sin embargo, los procesos de oxidación avanzada a menudo tienen un capital y unos costos de operacion altos comparados con el tratamiento biológico

Procesos de oxidación:

•Procesos de oxidación química usando peróxido de hidrógeno, ozono, peróxidoy ozono combinados, hipoclorito, reagente Fenton, etc.

•Elevación de la oxidación ultra violeta tanto como UV/ozono, UV/Peróxido dehidrógeno, UV/aire

•Oxidación del aire húmedo y oxidación catalítica del aire húmedo (donde el airees usado como oxidante)

Los procesos de oxidación avanzada son particularmente apropiados para aguasresiduales que contienen recalcitrantes, tóxicos o materiales no-biodegradables

El ozono

Es de gran utilidad para el tratamiento de aguas residuales industriales procedentes de industrias:textiles, papeleras, pinturas, barnices, etc.

La ventaja de este proceso es la eliminación de compuestos de amonio y la oxidación desubstancias inorgánicas (fierro, manganeso, metales pesados ligados orgánicamente, cianuros ysulfuros), la oxidación de compuestos orgánicos como detergentes, pesticidas, herbicidas, fenoles,sabor y olor.

El ozono provoca dicha oxidación dando lugar a sus hidróxidos correspondientes, los cuales,posteriormente, pueden ser fácilmente eliminables por sedimentación o filtración.

Comparación de oxidantes químicos

Procesos de oxidación avanzada

Se habla de oxidación avanzada cuando se utilizan radicaleshidroxilo (radicales OH) como oxidante

Una forma de producir radicales OH es la irradiación del peróxido dehidrógeno (H2O2) con radiación ultravioleta.El peróxido de hidrógeno absorbe la radiación ultravioleta y se descomponeen radicales OH (fotólisis).

Aplicación en tratamiento de aguas de la oxidación avanzada

Este proceso se aplica en la práctica añadiendo al agua a tratar peróxido dehidrógeno e irradiando a continuación con lámparas de luz ultravioleta.

La eficacia de este método viene determinada de forma decisiva por la cantidad deradicales OH producidos. Su número aumenta básicamente con la cantidad delmaterial de partida y la intensidad de la radiación ultravioleta. Sin embargo, dadoque las lámparas de radiación ultravioleta tienen un consumo de energía elevado,bajo el punto de vista económico no es razonable aumentar arbitrariamente laintensidad de la radiación.

La oxidación avanzada se puede combinar también con procesos biológicos. Eneste caso, las sustancias orgánicas se oxidan primero químicamente para formarproductos intermedios biodegradables.

La utilización de procesos oxidativos avanzados con ozono,peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta para eltratamiento de efluentes industriales que contienencompuestos recalcitrantes representa una oportunidad paraaumentar el grado de biodegradabilidad y alcanzarreducciones significativas de color. El uso de procesosbiológicos en serie resultaría beneficioso para completar y/omejorar la degradación de los compuestos remanentes

• Aplicaciones - oxidación avanzada

• Desventajas del proceso

Clasificación de los procesos de oxidación avanzada

• Esquema del proceso FENTON

Proceso FOTO FENTON

• Esquema de procedimiento experimental

Caracterización de aguas residuales de la

industria textil

Caracterización del agua tratada en el proceso Fenton

Caracterización del Caracterización del agua tratada en el proceso Foto Fenton

Todas las aguas en la naturaleza contienen una cierta cantidadde sales disueltas. Estas sales se encuentran homogéneamentedistribuidas en el líquido, no pueden ser detectadas a simplevista y se presentan en formas de iones o partículas cargadaspositivamente o negativamente.

El exceso de estas sales en solución pueden hacer no adecuada el agua parasu consumo directo o para un uso específico, por lo que se requiere de darleun tratamiento para remover completamente, o disminuir a valorestolerables el contenido de sales en solución.

En ocasiones es necesario remover o separar del agua ciertos componentes nodeseables, y en otros usos se requiere remover el total de sales disueltas en el agua.Como ejemplo del primer caso, un agua con un alto contenido de calcio y magnesio (odureza), deberá ser tratada para disminuir este contenido de dureza a valorestolerables, para su empleo en usos específicos donde el exceso de dureza esindeseable.

Este proceso cambia los iones que están en dilución acuosa por otros contenidos en una resina.

Durante el paso del agua los iones a eliminar se fijan en la resinay esta devuelve a la disolución otros iones “no perjudiciales”.

Pero llega un momento en que se agota la capacidad deintercambio en la resina, situación en el cual se hace necesaria laregeneración

Se pueden distinguir dos tipos de tratamiento con resinas parala eliminación de cantidades importantes mediante depositoscon resina cationica y anionica; para cantidades remanentesun deposito denominado lecho mixto

Tipos de resinas comerciales:

• Catiónica de ácido fuerte• Aniónica de base fuerte• Catiónica de ácido débil• Aniónica de base débil

Las resinas fuertes tienen la Las resinas fuertes tienen la ventaja de que intercambianmas iones que las débiles y la desventaja es de que consumenmás reactivos de regeneraciónque las débiles.

Campos de aplicación

Desalinización

Para la eliminación de sal común (cloruro sódico; NaCl) se intercambianiones Na+ por iones H+ en un intercambiador catiónico. En unintercambiador aniónico se intercambian posteriormente los iones Cl- de lasal común por iones OH-. Los iones H+ y OH- liberados se unen formandoagua (H2O).

Ablandamiento

Si se calientan aguas duras se forman incrustaciones o sedimentaciones decal. Esto puede causar daños en tuberías y máquinas (p. ej. Hervidores y endomicilos de agua). Mediante el proceso de ablandamiento se eliminan delagua iones calcio (Ca2+) e iones magnesio (Mg2+) medianteintercambiadores catiónicos.

Detoxificación

Las aguas residuales industriales pueden contener sustanciastóxicas como metales pesados, cianuros y cromatos. Estassustancias están presentes normalmente en forma de iones ypueden eliminarse del agua por intercambio iónico.

Es el proceso que consiste en la captación de sustancias solubles presentes en la interfase puede hallarse entre un líquido y un gas, un sólido o entre dos líquidos diferentes

La necesidad de una mayor calidad de agua tratada ha conducidoal estudio del proceso de adsorción del carbon activado

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones omoléculas son atrapadas o retenidas en la superficie deun material

Radios porales del carbon activado

La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una formaextremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPACdefine la distribución de radios porales de la siguiente forma:Microporos r < 1 nmMesoporos r ≈ 1-25 nmMacroporos r > 25 nm

Los macroporos son la vía de entrada al carbón activado, los mesoporosrealizan el transporte, y los microporos la adsorción.

Nanoporos de una muestra de carbónactivado ( microscopio electrónico).

Columna de adsorción de carbon activado

Agua residual industrial antes y después del tratamiento con carbón activo

Es la filtración por membranas en la cual la presión hidrostática fuerza un líquido contra unamembrana semipermeable. Los sólidos suspendidos y los solutos de alto peso molecular sonretenidos, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan la membrana.

El tamaño de poro no es tan fino como en la Nanofiltración y tampoco requiere tanta energía para efectuar la separación, y es mas pequeño que el de las membranas de microfiltración.

La Ultrafiltración es capaz de concentrar sólidos suspendidos, bacterias, algunas proteínas, algunos colorantes, etc.

La nanofiltración es aplicada en el tratamiento de aguas, tales como ablandamiento, decoloración y eliminación de micro contaminantes.

Aplicaciones

. La eliminación de pesticidas de las aguas subterráneas

. La eliminación de metales pesados de las aguas residuales

. Reciclaje de aguas residuales en lavanderías

. Ablandamiento del agua

. Eliminación de nitratos

Planta de tratamiento Nanofiltración Collahuasi – Chile

Con una capacidad de tratamiento de 235 (m3/hora).

Es la tecnología que permite, bajo la influencia de un campo eléctricocontinuo, extraer sustancias ionizadas disueltas en una disolución acuosa através de membranas selectivas de intercambio iónico.

Aplicación

• Desalinización de aguas salobres.

• Tratamiento de la dureza del agua, el desalado del suero de quesos,recuperación de ácido tánico de los vinos y recuperación de ácidocítrico de los jugos de frutas.

• En aguas industriales se emplea en la recuperación de ácidos de losbaños electrolíticos y en la eliminación de metales pesados de lasaguas de los procesos galvanoplastía.

• Muy usado en aplicaciones médicas y de laboratorio que necesitanagua ultrapurificada.

Planta Llobregat - España

Debido a problemas de salinidad se construye una desalinizadora que, medianteun proceso de electrodiálisis reversible (EDR), consigue mejorar las característicasquímicas y organolépticas (sabor, olor) del agua.

El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculaspequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micras. Porejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero nolas de azúcar, que son más grandes.

Es el nivel más fino de filtración posible, Consecuentemente,este proceso puede llevar a la remoción de sales, durezas,patógenos, turbidez, compuestos orgánicos sintéticos,pesticidas, y la mayoría de los contaminantes del agua

Aplicaciones

•Industria farmacéutica.

•Industria electrónica.•Industria de la alimentación y bebida.•Industria química.•Industria agrícola-ganadera.•Laboratorios y cosmética.•Hemodiálisis.•Tratamientos de agua para generadores de vapor.•Tratamiento de agua para procesos industriales.•Torres de enfriamiento.•Agua destilada, bidestilada y tridestilada.•Agua para Inyectables (WFI).•Producción de hielo.•Potabilización de agua.•Desalinización de agua de mar.

•Recuperación de aguas de desecho.

Consiste en la eliminación de los organismos patogenos causantes deenfermedades .

No todos se destruyen mediante este proceso; del cual nace elconcepto de esterilzación en la que si se eliminan todo organismopatogeno

TEORÍA DE LA DESINFECCION

Teóricamente, la acción desinfectante de las sustancias químicas serealiza en dos etapas:

• La penetración de la pared celular.

• La reacción con las enzimas, inhibiendo el metabolismo de laglucosa y, por tanto, provocando la muerte del organismo.

FORMAS DE DESINFECCION

Formas físicas: Sedimentación natural. Sedimentación con ayuda de floculantes. Filtración

Calor. La luz y los rayos ultravioletas. Procesos electrolíticos. Radiación gamma. Formas químicas:

Cloro: Cal Clorada Hipoclorito de Calcio Hipoclorito de Sodio Dióxido de Cloro

Halazona Yodo.

Bromo. Plata ionizada. Ozono.

Desinfección con CLORO

• El cloro es el mas utilizado , el cual se obtiene en forma de:

• Cloro gas Cl2• Hipoclorito de sodio NaOCl• Hipoclorito de calcio Ca(OCl)2

Características del cloro comodesinfectante

• Destruye los organismos patógenos del aguaen condiciones ambientales y en un tiempocorto.

• Es de bajo costo.

• La determinación de su concentración en elagua es sencilla y de bajo costo.

• En las dosis utilizadas adecuadas en ladesinfección de las aguas, no constituye riesgopara el hombre ni para los animales.

• Deja un efecto residual que protege el agua deuna posterior contaminación en la red dedistribución.

Decloración

• Es utilizado para reducir los efectos toxicos del cloro residual en un cuerporeceptor.

• Se utiliza para este fin el carbon activado y el dióxido de azufre

Desinfección con OZONO

Este proceso se convierte en una posibilidad competitiva de desinfección,empleandose para el control de olores, eliminación de materia orgánica solublerefractaria.

Otra ventaja notoria es la elevacion de oxigeno disuelto como consecuencia de ladescomposición de ozono en oxigeno

Al no ser un agente químico no produce residuos toxicos

Desinfección con RAYOS ULTRAVIOLETA

A diferencia de los otros desinfectantes la radiación UV es un agente desinfectantefísico y no químico.

Esta radiación penetra la pared celular de los organismos y es absorbida por la celulaimpediendo su reproducción o la muerte de la celula.

Para tener efectividad el agua debe estar libre de turbiedad que podría absorber laradiación y actuar como escudo de los microorganismos

Alternativa de tratamiento para la industria del papel

• Neutralización.

• Proceso fisicoquimico con sulfato de aluminio, para solidos en suspensión y coloides.

• Sedimentación.

• Procesos biologicos, desinfección.

• Filtración.

• Adsorción.

• Intercambio ionico, etc.

Alternativa de tratamiento para la industria de cueros(A base de sales de cromo)

• Cribado

• Alcalinilización.

• Precipitación (en condiciones basicas PH de 8.5 a 10.5 el cromo precipitaracomo hidroxido de cromo)

• Sedimentación.

• (Si fuese necesario aplicar proceso fisicoquimico, sedimentación y neutralización)

• Procesos biologicos, desinfección.

• Filtración.

• Adsorción.

• Osmosis inversa, etc.

Alternativa de tratamiento para la industria textil

• Cribado

• Alcalinilización.

• Precipitación (en condiciones basicas PH de 8.5 a 10.5 el cromo precipitaracomo hidroxido de cromo) / Oxidación.

• Sedimentación.

• Proceso fisicoquimico, sedimentación y neutralización)

• Procesos biologicos (lodos activados, filtros percoladores, etc.)

• Filtración.

• Adsorción.

• Osmosis inversa, etc.

Los principales parametros son: DBO5, DQO, SST, Aceites y grasas, Cromo, Fenoles(interferencia en procesos biologicos) y Sulfitos.

Alternativa de tratamiento para la industria Cervecera

• Cribado

• Flotación

• Procesos biologicos. (anaerobico de 60% a 80% y aerobico)

• Filtración.

• Adsorción.

• Intercambio ionico, etc.

Alternativa de tratamiento para la industria Azucarera

• Cribado.

• Desarenado.

• Sedimentación / Flotación.

• Neutralización.

• Procesos biologicos. (anaerobico de 60% a 80% y aerobico)

• Filtración.

• Adsorción.

• Intercambio ionico, etc.

Muchas graciasjcalarcon@cip.org.pe

jcalarcon@uni.edu.pe