PROCESOS DE TRATAMIENTO DEL AGUAPRETRATAMIENTOS 

Los pretratamientos como parte de los procesos que buscan una calidad del agua cruda apropiada a las necesidades del usuario, comprenden un cierto número de operaciones mecánicas, físicas y/o químicas que tienen por objeto separar del agua la mayor cantidad posible de materias que por su naturaleza o tamaño puedan ser motivo de posteriores problemas en el tratamiento. Los procesos de pretratamiento en aguas potables pueden incluir:

Remoción de materiales flotantes, que se emplean cuando se requiera retirar del agua material sobrenadante para que posteriormente pueda ser tratada por los procesos convencionales, se incluyen aquí los procesos de desbaste con rejillas o tamices y las trampas de grasa y aceite.

Remoción de materiales suspendidos deben usarse cuando exista en el agua un exceso de material suspendido, en especial arcillas y algas que puedan interferir en los siguientes procesos. Pueden emplearse desarenadores, presedimentadores con o sin aplicación de químicos, prefiltros y microtamices.

Procesos de oxidación, pueden ser por:

Aireación: bandejas de coque, aireación forzada con inyección de aire comprimido o aireación mecánica.•Adicción de químicos como: permanganato de potasio (KMnO4), Ozono (O3), peróxido de hidrógeno (H2O2), dióxido de cloro (ClO2) o cloro en todas sus formas.

DESBASTE

La operación de desbaste es llevada a cabo de forma casi exclusiva mediante rejas, que retienen objetos generalmente flotantes, tales como: hojas, palos, ramas y hasta peces, presentes en las aguas naturales; así el desbaste tienen como objetivo:

Proteger a la planta de tratamiento de la posible llegada intempestiva de objetos capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación.

Separar y evacuar fácilmente las materias arrastradas por el agua bruta y que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos siguientes o complicar su realización

Siendo así, estas rejas deberán estar en la captación siempre antes de los sistemas de bombeo; así mismo sí en la aducción el agua ha podido ser objeto de “ensuciamiento”, puede llegar a ser necesario implementar una nueva reja antes de otras partes de la planta.

Una reja de desbaste es básicamente un sistema de barras paralelas, cuya inclinación o ángulo con la horizontal varia según si la reja hace parte de una toma de fondo, una captación lateral o se halla en un canal, para este último se recomienda el valor de 60º, pues se adapta para que la limpieza de la rejilla pueda ser manual o mecánica. El espaciamiento entre las barras de la rejilla dependerá del tipo de residuo a ser retenido y del material en que sea construida, pero los espaciamientos más comunes son: para rejas gruesas de entre 75 a 150 mm. y para rejas finas de entre 20 a 40 mm. El ancho de la reja dependerá del ancho total de la captación o canal y la velocidad de flujo a través de ella baja, con el fin de evitar el arrastre del material retenido

Para la limpieza se utilizan unos rastrillos cuyos dientes encajan en las aberturas de la reja y puede efectuarse de forma manual o mecánica, esta última suele ser más eficiente en la remoción del material retenido, además que reduce costos de mano de obra, pero se utilizan principalmente en estaciones de medianas a grandes. Las limpiezas es necesario hacerlas de forma periódica, para evitar un aumento en las pérdidas de carga, lo cual puede ser regulado por el nivel del agua, mediante un automatismo que se ponga en marcha cuando dicha pérdida alcance un valor determinado o por un periodo fijo de tiempo fijado gracias a un temporizador. El canal donde su ubique la reja debe proyectarse de modo que se evite la acumulación de arena u otros materiales en su cercanía, así la velocidad de aproximación del agua se recomienda sea de aproximadamente 0.6 m/s.

TAMICES Y MICROTAMICES

El tamizado se emplea en numerosos campos del tratamiento de agua y puede considerarse como una filtración sobre soporte delgado, según la dimensión de los orificios de paso se distinguen:

Macrotamizado: con orificios superiores a 0.3 mm. se emplea para retener residuos flotantes o semiflotantes (vegetales o animales: insectos, ramas, hierbas, algas, etc.).

Microtamizado: con malla inferior a 100 micras se utiliza para retener materias en suspensión de muy pequeñas dimensiones. Se recomiendan cuando el agua presente algas o microorganismos en tal cantidad que sea imprescindible removerlos antes de aplicar un tratamiento o cuando permita la potabilización del agua sin necesidad de otro tratamiento distinto de la desinfección.

Los tamices utilizados en pretratamiento pueden clasificarse en:

Tamices rotativos, usualmente instalados a ras de agua y con pequeña pérdida de carga, se presentan en forma de un tambor giratorio en acero inoxidable o de una malla conformada por elementos metálicos dispuesta sobre cadenas sin fin. Tal superficie, colocada ya sea en un canal o conectada a la tubería que conduce el agua, puede tener un coeficiente de superficie libre del orden de 50 a 60 % y una velocidad de filtración de unos 0.35 a 0.40 m/s. La limpieza puede realizarse mediante agua a presión, escobillones giratorios o rascadores fijos.

Tamices estáticos, llevan una reja curva conformada por barras horizontales de sección triangular; en donde el agua se distribuye desde la parte superior de la reja obteniéndose sucesivamente los efectos de separación, escurrido y evacuación de las materias sólidas. Estos tamices tratan caudales muy variables, pero la pérdida de carga puede ser elevada (1 a 2 m.).

TRAMPAS DE GRASA Y ACEITE

Aún cuando son más comunes en el tratamiento de aguas residuales, puede ser posible que las aguas naturales posean este tipo de sustancias flotantes, para esto se emplean las trampas para retener las grasas y aceites, de las cuales deben determinarse características, tales como: densidad, peso específico, etc. Sin embargo es de anotar que este proceso puede darse simultáneamente con el desarenado o si el agua no posee estas sustancias, este paso puede obviarse.

Son diseños muy sencillos, con uno o dos compartimientos ubicados en un sitio de fácil acceso para su limpieza, en donde en la primera cámara se realice la separación de la grasa y en la segunda el almacenamiento. A la entrada y salida de la cámara de separación deben proveerse deflectores que sobresalgan por encima del nivel del agua y que penetren en esta por lo menos 30 cm. logrando con ellos un recorrido del agua que permita la flotación de la grasa, pero no la sedimentación de partículas, a su vez la distancia entre estos dispositivos de entrada y salida debe ser lo suficiente para permitir retener la grasa y evitar que sea arrastrada en el efluente.

DESARENADO

En el desarenado se pretende eliminar las partículas superiores a 200 micras, el resto corresponde a los procesos de decantación posteriores al presente. Tiene entonces por objeto extraer del agua bruta la grava, arena y partículas minerales más o menos finas y con ello:

Evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, Proteger las bombas y otros aparatos de la abrasión.

Evitar sobrecargas en las siguientes fases del tratamiento.

Los desarenadores empleados en tratamientos de agua potable son generalmente rectangulares de tipo canal, es decir se trata simplemente de un canal en donde la velocidad del agua se reduce propiciando de esta forma la sedimentación de las partículas granulares. Bien podrían separarse mediante un ciclón pero hay peligro de desgaste por abrasión y se presentan apreciables pérdidas de carga, no obstante en estos se obtiene un excelente rendimiento aún con arenas más pequeñas.

En aguas potables, el proceso de desarenado se sitúa frecuentemente en la captación, sin embargo si durante el transporte el agua ha recogido sedimentos, puede ser necesario un nuevo desarenado en la planta. La extracción de la arena se puede realizar directamente con una bomba aspirante, montada sobre un puente móvil, por barrido con cadenas sin fin, puentes de

rasquetas o emulsores de aire.

Una partícula granular, en suspensión en un líquido en reposo se encuentra sometida a la fuerza de la gravedad y a una fuerza resistente debida al rozamiento con el fluido, resultante de fuerzas de viscosidad e inercia. Cuando la partícula queda en libertad de movimiento, partiendo de una velocidad nula, se acelera y al cabo de un tiempo que se considera despreciable con relación a la duración de la sedimentación alcanza una velocidad prácticamente constante (equilibrio de la fuerza de gravedad con la fuerza de rozamiento con el fluido), esta velocidad puede expresarse por:

Según el valor que tome el número de Reynolds (NR), la constante C tomará valores diferentes, lo que da lugar a las formulas de Stokes, Allen y Newton de acuerdo a la siguiente tabla.

Tabla 8. Valor de la constante C en función del número de Reynolds.

Lo anterior se cumple para partículas esféricas (las que no lo son, sedimentan a menor

velocidad), por ello se introduce un coeficiente de esfericidad ( ), resultante de la relación de volúmenes entre una esfera de igual superficie a la del grano y el volumen del grano, con valores

de: = 2 arena, = 2.25 carbón, =3.25 talco, = 4 yeso, = 22 laminillas de grafito, = 170 mica.

En un desarenador de tipo canal, de profundidad H, una partícula en suspensión que se encuentre en la superficie del agua en el momento de su entrada en el canal, sedimentará con una velocidad Vs de caída constante, alcanzando el fondo del decantador al cabo de un tiempo Ts = H/Vs, supuesto que:

La velocidad en el canal es horizontal y uniforme.La partícula se supone eliminada cuando alcanza el fondo del canal.

Las partículas sedimentan independientemente, es decir sin interacción mutua.

Si S es la superficie horizontal del desarenador y Q el caudal en él, el volumen del canal es:

La anterior expresión indica que la sedimentación de partículas en las condiciones expuestas, no depende de la altura del canal sino de su área superficial. No obstante la profundidad no puede reducirse del todo, pues se aumentaría la velocidad de paso del agua y las partículas no sedimentarán.

Toda partícula que tenga velocidad de sedimentación mayor que Vs, sedimentará y partículas con una velocidad de sedimentación V inferior a Vs, se eliminarán en una proporción: V/Vs, obviamente si se supone una distribución uniforme de las partículas en suspensión para cada velocidad de sedimentación, en toda la sección de entrada. Cuando la suspensión contenga toda una gama de velocidades de sedimentación, el total eliminado vendrá dado por la formula:

Donde: Co es la fracción de partículas con velocidad de sedimentación igual o inferior a Vs. Sin embargo en esta exposición se esta prescindiendo de factores reales que afectan el proceso tales como turbulencias de entrada y salida, almacenamiento del sedimento, gradientes de velocidad originados por su extracción, etc.

 PRESEDIMENTADORESLa presedimentación debe emplearse cuando la turbiedad del agua interfiera con los procesos de tratamiento convencional y la sedimentación simple de partículas remueva al menos el 40 % de la turbiedad. Se recomienda el uso de presedimentadores cuando la turbiedad del agua sea muy elevada (mayor de 1000 UNT) o cuando se presente un alto contenido de partículas gruesas.Aún cuando este tema se tratará con mayor profundidad en decantación, se adelanta el hecho que en sedimentación previa se pueden emplear sedimentadores de flujo horizontal, vertical, de placas o embalses retenedores de agua cruda; siempre y cuando se cuente con un sistema eficaz de remoción y extracción de lodos que puede ser continua o intermitente. En el caso de emplearse tanques, esto pueden ser circulares o rectangulares y el fondo debe tener forma de embudo para facilitar la remoción manual, mecánica o hidráulica de los lodos. Para garantizar que la unidad opere adecuadamente, el tiempo de detención en el presedimentador debe ser mayor de 2 horas y la carga superficial entre 15 y 80 m3/m2.día para flujo horizontal y de 180 a 360 m3/m2.día para sedimentadores de alta tasa.PREFILTROSEste proceso de pretratamiento debe emplearse para reducir los niveles de turbiedad y de sólidos en suspensión a límites aceptables, e interfieran con los procesos posteriores de tratamiento y/o para reducir la contaminación bacteriológica cuando es muy elevada. Los prefiltros pueden ser:

COAGULACIÓN, FLOCULACIÓN, DECANTACIÓN 

La pequeña dimensión de las partículas coloidales presentes en el agua, así como la existencia de cargas negativas repartidas en su superficie, dan lugar a una gran estabilidad de las suspensiones coloidales. Así pues, las suspensiones coloidales no son capaces de sedimentar en un tiempo razonable, puesto que su capacidad para permanecer en suspensión durante largo tiempo es función tanto del tamaño como del peso específico, la siguiente tabla muestra la importancia del tamaño ya que se indican los tiempos que unas esferas de densidad 2,65,

necesitarían para sedimentar 30 cm.

Tabla 10. Efecto del tamaño en la sedimentación.

Puede verse que las velocidades de la materia coloidal son tan lentas, que en la práctica es imposible separarlas del agua por sedimentación; así, se hace necesario realizar las siguientes operaciones:

Desestabilizar las partículas coloidales, especialmente por la neutralización de sus cargas, fenómeno conocido con el nombre de coagulación.

Facilitar la unión entre partículas formando agregados de mayor volumen (flóculos) cuya velocidad de sedimentación es más elevada. Este fenómeno de agregación de partículas se denomina floculación.

Conseguir la eliminación de las partículas floculadas, cuando esta se produce por sedimentación, el proceso se conoce como decantación.

Tabla 9. Tipos de prefiltros empleados para pretratamientos.La composición del medio filtrante en el caso de los filtros gruesos dinámicos, es de tres capas de grava con tamaños que varían de 3 a 25 mm. en la dirección del flujo, es decir la capa más fina en contacto con el agua cruda. En los de flujo horizontal el lecho debe estar constituido por gravas de tamaños entre 25 y 19 mm. para la primera unidad, entre 19 y 13 mm. la segunda y entre 13 y 4 mm. en la última.En los filtros gruesos de flujo ascendente, el lecho filtrante debe estar constituido por 5 capas de grava distribuidas en 1,2 o 3 compartimientos, con tamaños variando de 25 a 4 mm. en donde los primeros 20 a 40 cm. constituirán el soporte. En los de flujo descendente, las características del lecho pueden coincidir con los de flujo horizontal o flujo ascendente.AIREACIÓNEn la aireación debe ponerse en contacto el agua cruda con el aire, con el propósito de modificar la concentración de sustancias volátiles contenidas en ella, la aireación se recomienda en los siguientes casos:

Transferir oxígeno al agua y aumentar con ello el oxígeno disuelto.

Disminuir la concentración de dióxido de carbono (CO2).

Disminuir la concentración de sulfuro de hidrógeno (H2S).

Remover el metano (CH4).

Oxidar hierro (Fe) y manganeso (Mn).

Remover compuestos orgánicos volátiles (COV).

La aplicabilidad de los diferentes tipos de aireadores y su dosificación, deben ser determinadas preferiblemente a través de ensayos, controlarse el tiempo de aireación y la eficiencia de remoción; esta última como el porcentaje entre la variable química a remover en el efluente y el afluente.Las bandejas de coque consisten en una serie de superficies de 0.5 a 2 m2 (por cada 100 m3 de capacidad) con un lecho de coque de espesor de 0.15 a 0.3 m. conformado por partículas de 0.05 a 0.15 m. sobre las cuales se vierte el agua cruda a una carga máxima de 100 m3/m2.día. tal que se genere una capa de aproximadamente 0.15 m. Lo que allí se genera es una caída del agua de bandeja a bandeja y por ende una aireación con la añadida capacidad del carbón para absorber y adsorber químicos.En la ventilación forzada con aire comprimido debe garantizarse una entrada de 1.5 litros de aire por litro de agua en un tanque que cumpla con relación l/w > 2, profundidad entre 2.5 y 4 m y un tiempo de retención mayor a 5 min. Si la aireación fuese mecánica debe diseñarse de forma tal que garantice la cantidad de oxígeno necesario para completar la oxidación.OXIDACIÓN QUÍMICAPara la aplicación de la oxidación y la selección del oxidante (cloro, dióxido de cloro (ClO2). permanganato de potasio (KMnO4), Ozono (O3), peróxido de hidrógeno (H2O2)) debe realizarse un estudio técnico y económico detallado de las ventajas y desventajas pues son tratamientos de los que debe conocerse más y en los que en su aplicaciones requiere implementar sofisticadas técnicas. Esta solución debe emplearse cuando los siguientes parámetros excedan los límites permisibles y no puedan ser removidos en el tratamiento convencional:

Color.Algas.

Nitrógeno amoniacal.

Olor y sabor.

Hierro y manganeso.

Disminuir la formación de trihalometanos (THMs).

Evitar el crecimiento de algas sobre las paredes de las unidades en la planta.

Como oxidantes después de la desinfección.

La dosis de cloro (Cl2 o hipocloritos) que debe emplearse corresponde a los valores por debajo del máximo de la curva de demanda en cloro, lo que reduce la formación de trihalometanos (THMs). Los parámetros que deben ser controlados en el proceso son:

La dosis de cloro residual obtenida después de la precloración.La concentración de trihalometanos después de la desinfección final, en caso de que

existan precursores y se halla demostrado un exceso de trihalometanos.

Efecto sobre los polielectrolitos, en caso de que afecte la formación de los flóculos.

Eficiencia de remoción de la turbiedad, medida después de la sedimentación.

En la oxidación por dióxido de cloro (ClO2), la eficiencia de remoción del color y sabor es superior a la del cloro (no reacciona con los fenoles presentes), a su vez se recomienda para remover hierro y manganeso del agua cruda y porque con este oxidante no hay formación de trihalometanos. Sin embargo no debe emplearse en aguas con nitrógeno amoniacal debido a que no reacciona con éste y por tanto no permite su eliminación. Con este oxidante pueden formarse, subproductos como cloritos (ClO2) y cloratos (ClO3) que pueden ser tóxicos, por eso la concentración máxima total debe ser de 1 mg/l para ClO2, ClO3 en el agua tratada. Se recomienda para la remoción de algas presentes en el agua cruda que pueden interferir en los procesos subsecuentes.El ozono por ser un potente oxidante se recomienda cuando las aguas contienen altas concentraciones de materia orgánica o color, puesto que presenta las siguientes ventajas:

Disminuye la formación de subproductos clorados (THMs).Facilita la coagulación - floculación - decantación (fenómeno de polimerización de la

materia

orgánica y coloides presentes).La dosis está comprendida entre 0.3 y 0.5 mg de O3 por mg de carbón orgánico total (COT). No obstante debe tenerse en cuenta que el uso del ozono, puede generar subproductos (bromatos) cuya peligrosidad se desconoce.En el pretratamiento de aguas ricas en hierro y manganeso, la oxidación mediante permanganato potásico (KMnO4) puede ser más eficiente que por otros oxidantes, pero es mucho más costoso. Con este debe controlarse la dosis, ya que su sobredosificación puede generar la presencia de color.Sin embargo ninguno de los procesos de oxidación anteriormente mencionados puede utilizarse antes de haberse realizado estudios de laboratorio y/o planta piloto, complementados con cuidadosos estudios económicos de costo/beneficio, así como la identificación de posibles problemas operativos.

 La coagulación consiste entonces en neutralizar la carga, generalmente electronegativa, de los coloides presentes en el agua, quedando estos en condiciones de formar flóculos. Este proceso se consigue introduciendo en el agua un producto químico denominado coagulante, pero antes de entrar en el estudio de los coagulantes y de su forma de desestabilizar las suspensiones coloidales, es necesario considerar los factores que determinan que las partículas permanezcan en suspensión, así como también aquellos que producen la floculación. Por estabilidad se entiende la propiedad inherente de las partículas coloidales a permanecer en dispersión durante mucho tiempo, mientras que por inestabilidad se expresa la tendencia de dichas partículas a flocularse siempre que entren en contacto entre sí.a) Fuerzas de estabilidadEn los sistemas de coloides hidrófilos, se admite que el mantenimiento de la estabilidad se debe al fenómeno de hidratación, es decir las moléculas de agua atraídas hacia la superficie de las partículas forman una barrera que impide el contacto entre estas. La estabilidad de las partículas hidrófobas se debe en gran parte al fenómeno de la doble capa eléctrica, esta teoría postula que dichas partículas suspendidas en el agua, tienen en su superficie, carga eléctrica (generalmente negativa) que atrae iones de carga opuesta de entre los que se encuentran en el agua. Se forma entonces a su alrededor una capa de iones de carga contraria (denominados contraiones) que se

mantienen cerca de la partícula por efecto de las fuerzas electrostáticas. 

 

 

Figura 25. Estructura de la capa doble

De esta forma pueden distinguirse varias capas bien definidas, la superficie de la partícula aparece como un plano que contiene cargas negativas, los cationes de la solución son atraídos hacia esta superficie y a medida que aumenta la distancia desde la partícula las fuerzas de atracción disminuyen rápidamente dando lugar a una capa difusa de iones que escapan hacia la solución. Como se indica en la figura, el potencial electrostático disminuye exponencialmente desde la superficie de la partícula, hasta llegar a cero cuando las concentraciones de los cationes y aniones presentes son iguales. Es de señalar que el espesor de la capa doble es extremadamente pequeño en comparación con el diámetro de la partícula (del orden de 10 - 8 m.).

A cierta distancia de la partícula, dentro de la capa difusa, se establece el llamado “plano de cizalla”, que representa la porción de agua y de iones que permanecen ligados a la partícula en todos sus desplazamientos. Por tanto, esta capa adherida puede considerarse parte integral de la partícula cargada, impidiendo de esta forma una estrecha aproximación con otras partículas de conformación análoga; en consecuencia, estas capas dobles le comunican estabilidad a la suspensión. Por tanto, ya no es posible considerar a las partículas coloidales en el agua como porciones discretas de materia suspendida, sino más bien corno entidades complejas constituidas por varios componentes. Tanto el espesor de la capa doble como la densidad de la carga superficial son sensibles a la concentración y a las valencias de los iones que se encuentran en la solución y por tanto, la estabilidad de la suspensión puede alterarse de modo notable añadiendo los iones adecuados a dicha solución. El potencial en la superficie de la partícula (potencial total), conocido con el nombre de potencial de Nerst, es imposible de determinar en muchos casos, pero el segundo (el potencial Z), que existe en el limite entre la parte adherida a. la partícula y aquella otra que puede desplazarse con respecto a ésta es posible de ser medido con un zetámetro.b) Fuerzas de inestabilidadMientras que los fenómenos anteriormente descritos contribuyen a la estabilidad de las partículas, existen fuerzas que trabajan en sentido opuesto, determinando que estas se desestabilicen o floculen. Los factores que influyen en la inestabilidad de los coloides son fundamentalmente dos:

El movimiento browniano: Es una evidencia experimental el que partículas con diámetros del orden de 10 - 6 m o menores, en el seno del agua, se encuentran en un constante movimiento rápido, desordenado y al azar. La obtención de la energía para dicho movimiento se da por las colisiones de las partículas con las moléculas de agua y por la temperatura del medio, todo este movimiento contribuye a la estabilidad, pero supone una probabilidad de contacto entre las partículas cuyo aglutinamiento en agregados mayores dependerá de la desestabilización electrostática. Así es posible fomentar las colisiones entre partículas estableciendo gradientes hidráulicos, es decir, recurriendo a la mezcla o creando zonas de

turbulencia, no obstante al aumentar el tamaño de la partícula, el movimiento browniano llega a ser despreciable.

Las fuerzas de London - Van der Waals: pueden describirse como una fuerza atómica cohesiva que existe entre todos los átomos, atrayendo cada uno a todos los demás. Aunque, generalmente, se considera que el radio de acción de esta fuerza es de un orden reducido, en el caso de las partículas coloidales, por efecto de agregación, este radio se amplia hasta dimensiones comparables con las de la de la partícula coloidal. Si las fuerzas eléctricas de repulsión entre las partículas se reducen en grado suficiente como para permitir que estas establezcan contactos entre sí (favorecidas por el movimiento browniano), las fuerzas de London - Van der Waals permitirán que las partículas se adhieran unas a otras, lo que se traduce en una aglomeración progresiva de las mismas (floculación). La evidencia experimental, en la actualidad, es que la coagulación (y posterior floculación) de coloides en el agua se logra bastante antes de que el potencial Z se reduzca a cero, ya que este valor suele oscilar entre -5 y -10 mV.

La coagulación a escala industrial no fue empleado hasta principios del siglo XIX y fue consecuencia de la observación de lo que podía lograrse mediante la adición de electrólitos. Schultze y Hardy estudiaron estas reacciones y plasmaron los resultados en las hoy llamadas reglas de Schultze-Hardy. En ellas se dice que la coagulación es provocada por iones que tienen una carga opuesta a la de las partículas coloidales y que el poder coagulante de un ión depende en gran medida de su valencia. Así, un ión divalente es entre 30 y 60 veces más eficaz que otro monovalente, y uno trivalente; unas 700 a 1000 veces más que el monovalente.Posteriormente se comprobó que el efecto neto de la adicción de electrolitos es disminuir el espesor de la doble capa eléctrica, cuando la cantidad de electrolito es suficiente para reducir la barrera de la capa doble, se produce una coalescencia irreversible y la coagulación es rápida; sin embargo, cuando la cantidad de electrolito reduce solo parcialmente el espesor de la capa doble, la coagulación es lenta.Los principales coagulantes utilizados son las sales de aluminio o de hierro (Fe + 3 ). ( Ver Tabla 10.) También se pueden emplear polímeros inorgánicos como los de hierro (III) y aluminio como coagulantes, por ejemplo el policloruro de aluminio se recomienda para el tratamiento de aguas blandas y turbias. De las sales, se pensó inicialmente que formaban un hidróxido insoluble y con ello un ácido que reducía el pH de la solución; luego se admitió que cuando se añaden al agua, intervienen casi instantáneamente en una serie de reacciones de tipo hidróxido multivalentes. En estas sustancias se insertan dos o más iones de aluminio o hierro en un proceso de polimerización.La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en laboratorio, mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta, entre otros factores:

La naturaleza y calidad del agua bruta.La variación de la calidad del agua bruta (diarias o estacionales, influencia de la

temperatura, etc.).

Criterios de calidad y destino del agua tratada.

Tratamiento previsto después de la coagulación.

Grado de pureza del reactivo.

El tratamiento de coagulación óptimo de un agua cruda tiene por objeto lograr un equilibrio muy complejo en el que están implicadas muchas variables. Entre ellas merecen destacarse:

pH.Sales disueltas (composición química del agua).

Naturaleza de la turbiedad.

Tipo de coagulante.

Temperatura.

Tabla 11. Coagulantes más utilizados en la práctica.

Estas interrelaciones son tan complejas que, en la actualidad, sobre una base puramente teórica, es imposible predecir la dosis óptima de coagulante para un agua dada, en consecuencia, la dosis y condiciones típicas adecuadas para lograr la coagulación deben ser determinadas empíricamente para cada tipo de agua, principalmente por ensayos de floculación.

Se ha observado que el pH es la variable independiente más importante de entre las muchas a considerar en el proceso de la coagulación de coloides, asimismo, se ha establecido que existe al menos una escala de pH, para un agua dada, dentro de la cual se registra una buena coagulación - floculación en el tiempo más corto. La amplitud de la escala del pH está influenciada por:

El tipo de coagulante empleado. La composición química del agua.

La dosis del coagulante.

Los coagulantes metálicos (sales de aluminio y hierro) presentan su zona óptima tras los valores del pH que hacen mínima la solubilidad de los productos de hidrólisis. Así, para las sales de aluminio esta zona se sitúa entre 6 y 7,8. Las sales de hierro tienen un comportamiento similar, aunque en este caso, la zona del pH de coagulación puede ser más alta.Si ello fuera posible, la coagulación deberá llevarse a cabo dentro de la zona óptima del pH, puesto que, en caso contrario se derrochará una cierta cantidad de productos químicos y el agua tratada será de inferior calidad. En el caso de ciertas aguas pudiera ser preciso ajustar el pH con ácido, cal, sosa, etc., con objeto de obtener las condiciones adecuadas; la adición de coagulante en exceso puede ser una forma práctica de reducir el pH, en lugar de adicionar ácido.Sobre las sales disueltas en el proceso de coagulación se ha demostrado que ejercen una influencia determinada por el ión específico y su concentración, estos efectos pueden resumirse en la modificación de alguno de los siguientes factores:

La zona del pH de coagulación óptima. El tiempo necesario para la floculación.

La dosis óptima de coagulante.

El coagulante residual del agua tratada.

Así por ejemplo se ha comprobado que la presencia del ión SO4= aumenta la zona óptima del pH para el sulfato de alúmina, hacia el lado ácido, reduciendo sensiblemente el tiempo de floculación en el margen de pH 4,8 - 6,8. Los fosfatos desplazan la zona óptima del pH, para el sulfato de alúmina, hacia el lado ácido, sin apreciarse ampliación sensible en el margen del pH; a su vez también, hacen aumentar la dosis de coagulante necesaria, aunque de forma ligera.En términos generales se pueda formular las siguientes generalizaciones sobre los efectos de los iones en la coagulación:

La coagulación con sales de aluminio o hierro está sometida a una interferencia mayor de los aniones que de los cationes. En consecuencia los iones sodio, calcio y magnesio, por ejemplo ejercen un efecto mínimo sobre la coagulación.

Los aniones amplían el margen óptimo para la coagulación hacia el lado ácido en un grado que depende de su valencia. De este modo los aniones monovalentes, tales como el cloro y nitrato, ejercen un efecto relativamente pequeño, mientras que los de los sulfato y fosfato provocan desplazamientos importantes en los valores óptimos del pH.

La turbiedad de las aguas superficiales se debe en gran parte a la presencia de partículas de arcilla y otros minerales. La influencia de la cantidad y naturaleza de la turbiedad en la coagulación puede resumirse por:

Generalmente, a medida que aumenta la turbiedad es preciso aumentar la dosis de coagulante, pero en menor proporción al aumento de ésta.

Paradójicamente, en el caso de turbiedades muy elevadas, se requieren dosis de coagulante relativamente pequeñas debido a las mayores posibilidades de colisión entre las partículas. Por contra las turbiedades muy bajas suelen ser más difíciles de eliminar por coagulación.

La materia orgánica absorbida por las arcillas de las aguas corrientes naturales no aumenta la demanda de coagulante.

Es más fácil coagular una distribución amplia de tamaños de partículas que una suspensión que contenga un solo tamaño o una gama muy estrecha de estos.

Las aguas que contienen coloides orgánicos, derivados de la contaminación por aguas

residuales, son más difíciles de coagular y requieren dosis de coagulante mucho mayores.

Aunque el sulfato de alúmina es, con mucho, el coagulante más empleado, también pueden emplearse otros que en algunos casos, pueden ser más ventajosos. Como ejemplo, pueden citarse:

Las sales de hierro tienen un margen de pH más amplio que las de aluminio. Para el tratamiento de aguas blandas coloreadas en las que la eliminación del color se obtiene con más facilidad a valores ácidos del pH, es preferible recurrir a las sales de hierro.

El aluminato sódico se emplea en la coagulación de los precipitados obtenidos en el ablandamiento, a valores elevados del pH.

Respecto de la influencia de la temperatura en la coagulación se dispone de poca información experimental. Sin embargo pueden citarse los siguientes efectos sobre la coagulación - floculación, en aguas cuya temperatura sea próxima a los 0 ºC

A medida que la temperatura disminuye, aumenta la viscosidad del agua y en consecuencia, la velocidad de sedimentación del flóculo disminuye.

Se deterioran las características del flóculo, que tiende a atravesar los filtros.

Aunque se sabe que la disminución de la temperatura reduce la velocidad de las reacciones químicas, en lo que respecta a la coagulación este efecto es demasiado pequeño para que sea significativo. Sin embargo, se ha observado que el valor óptimo del pH es función de la disminución de temperatura y este desplazamiento es tanto más importante cuanto menores son las dosis de coagulante.

En cuanto a la coagulación del color, hay que recordar que este está usualmente motivado por:Formas coloidales del hierro y manganeso.Compuestos orgánicos complejos que se originan en los procesos de descomposición de

la materia orgánica natural (sustancias húmicas).

Los estudios realizados sobre la naturaleza química de las sustancias húmicas han demostrado la presencia de una gran variedad de grupos químicos, tales corno los hidroxilo, carboxilo, metoxilo y quinoide, que confieren propiedades hidrófilas a las partículas. Estos grupos son predominantemente negativos y en consecuencia las partículas de color son, casi siempre negativas, siendo la magnitud de la carga de cada una de ellas función del grado de ionización y por consiguiente, del pH del agua.Algunas características de la eliminación del color por coagulación indican que el mecanismo difiere completamente del que gobierna la eliminación de la turbiedad, por lo que se considera más como una precipitación química que como una coagulación, las diferencias más esenciales son:

Mientras que la turbiedad se elimina en un margen de pH de 6,5 a 7,5 la eliminación del color tiene que lograrse en un pH ácido, del orden de 4 a 6.

La dosificación del coagulante depende estrechamente de la concentración inicial del color lo que contrasta con la pequeña cantidad de coagulante adicional necesaria al aumentar las concentraciones de la turbiedad.

El potencial Z esta íntimamente relacionado con la concentración del color residual.

En el pH óptimo, el color baja proporcionalmente a medida que aumenta la dosis de coagulante.

Teniendo en cuenta que la neutralización de los coloides es el principal objetivo que se pretende en el momento de la introducción del coagulante, es conveniente que el reactivo utilizado se difunda con la mayor rapidez posible. El tiempo de coagulación es extraordinariamente breve (inferior al segundo) y la utilización óptima del coagulante exige que la neutralización de los coloides sea total antes de que una parte del coagulante haya comenzado a precipitar (por ejemplo, en forma de hidróxido metálico).Para la mezcla de los reactivos se utiliza en ocasionalmente la turbulencia creada por un vertedero, pero conviene disponer de un sistema que permita esta mezcla rápida, este sistema es conocido con el nombre de mezclador rápido o coagulador; estos aparatos no son indispensables cuando se utiliza un decantador de lecho de fangos, pero si lo son en el caso de floculación

difusa. Se pueden distinguir los siguientes tipos de mezcladores:Mezcladores estáticos se trata de dispositivos colocados en una tubería o canal (sistema

helicoidal, diafragma, cono) que crean una turbulencia suficiente para permitir la difusión instantánea del coagulante, estos mezcladores producen a veces una perdida de carga importante y son muy eficaces para su caudal nominal pero su eficacia decrece cuando disminuye el caudal.

Mezcladores rápidos se trata de un agitador rápido del tipo de hélice o de palas, colocada en una cámara de mezcla especial.

 Inmediatamente después de añadir un coagulante al agua, se desencadenan reacciones con los iones para producir compuestos de las especies polinuclear e hidroxo-multipositivos. Las sustancias coagulantes se absorben rápidamente en la superficie de las partículas hidrófobas causantes de la turbiedad, que acaban “revestidas de coagulante”. El resultado neto es que las cargas eléctricas de las partículas se reducen; Entonces según el pH y las dosis de coagulante añadidas, la carga de la partícula, medida en función del potencial Z, puede oscilar entre ser ligeramente negativo a neutro.En este momento se considera que la suspensión esta desestabilizada y en consecuencia, el proceso de floculación está a punto de iniciarse. La mezcla, la agitación o la turbulencia favorecen las colisiones entre las partículas desestabilizadas que producen, de esta forma uniones perdurables, por otra parte, los propios coagulantes aún en ausencia de turbiedad, se hidrolizan y precipitan para formar masas cada vez mayores de material floculante. Cuando este flóculo ha alcanzado tamaño suficiente, puede aprisionar físicamente a las partículas de turbiedad, comportándose como una “escoba” a medida que sedimenta.En contraste, los coloides hidrófilos, que contienen grupos polares de los tipos hidróxilo, carboxilo o fosfático, cargados negativamente reaccionan químicamente con los coagulantes de carga positiva, producidos en la hidrólisis, para formar otro insoluble que es eléctricamente neutro o desestabilizado. El proceso de floculación prosigue de forma análoga al ya descrito para las partículas hidrófobas.En el proceso de floculación es importante conseguir el flóculo de mayor peso y cohesión posible, ya que estas características facilitan su eliminación, en general algunos de los siguientes medios favorecen el engrosamiento y consecuentemente, la sedimentabilidad del flóculo:

Una coagulación previa tan perfecta como sea posible.Un aumento de la cantidad de flóculos en el agua. Así, conviene poner el agua en

contacto con los precipitados ya formados por el tratamiento anterior (recirculación de fangos, lecho de fangos, etc.), tratando de conseguir la mayor concentración posible.

Una agitación lenta y homogénea del conjunto, con el fin de aumentar las posibilidades de que las partículas coloidales descargadas eléctricamente se encuentren con un flóculo.

El empleo de ciertos productos llamados floculantes.

Los floculantes, llamados también coadyuvantes de floculación, son productos destinados a favorecer el proceso de floculación es decir, la formación de un flóculo voluminoso, pesado y coherente; la acción puede ejercerse al nivel de la velocidad de reacción (floculación más rápida) o al nivel de la calidad del flóculo. En muchos casos, los floculantes vienen a resolver problemas importantes, tales como flóculos pequeños, de sedimentación lenta, formados durante la coagulación a baja temperatura o flóculos frágiles que se fragmentan al someterse a las fuerzas hidráulicas en los estanques y filtros de arena.Los floculantes pueden clasificarse por su naturaleza (mineral u orgánica), su origen (sintético o natural) o el signo de su carga eléctrica (aniónico, catiónico o no iónico). Entre los floculantes minerales están la sílice activada y los “agentes adsorbentes - ponderantes” (arcillas, carbonato cálcico, carbón activo, tierra de diatomeas) y entre los orgánicos los denominados polielectrolitos.Hasta el descubrimiento de los polielectrolitos, la sílice activada ocupaba un lugar especial en el tratamiento químico de las aguas, pero hoy se utiliza con poca frecuencia. Esta se obtiene a partir del silicato sódico en disolución, a la cual se le neutraliza con ácido una parte importante de la alcalinidad, en cuyo momento se dice que se ha activado. Por regla general, la sílice activada se emplea con coagulantes de aluminio y la dosis expresada en mg/l, se determina en función de la

del coagulante (de un 7 a un 11% de la dosis de sulfato de alúmina); pero es de anotar que en exceso puede ser perjudicial para el proceso de floculación. La sílice activada, en función de las condiciones de empleo, puede proporcionar considerables ventajas, entre las que destacan:

Aumento de la velocidad de coagulación.Empleo de dosis más reducidas de coagulante.

Márgenes de pH más amplios para una coagulación óptima.

Formación de flóculos mayares, más densos y más coherentes.

Permite una coagulación más eficaz a bajas temperaturas.

Mejor eliminación del color.

Mejor floculación de las aguas de elevada turbiedad.

Mejores características de filtración.

Frente a estas ventajas la sílice activada puede presentar también algunos inconvenientes, tales como:

La preparación de la sílice activada requiere un minucioso control para evitar que gelifique.

Si no se ejerce un control adecuado pueden producirse flóculos muy grandes, pero la turbiedad residual puede ser elevada.

La sílice activada puede ser ineficaz para ciertos tipos de agua.

La sobredosificación puede inhibir la floculación.

Los agentes adsorbentes - ponderantes tienen una misión que puede ser:La de dar mayor peso a los flóculos ligeros, caso de la adición de arcillas bentoníticas que

al añadirse a los flóculos formados, mejoran su densidad (función ponderante). También se usa en este sentido el carbonato cálcico pulverizado (caliza).

La de adsorber partículas coloidales, generando un preflóculo, que rápidamente aumenta de volumen, caso del carbón activo o de la tierra de diatomeas (función adsorbente).

Los polielectrolitos orgánicos tales como el almidón, compuestos de celulosa, materiales proteínicos, gomas de polisacáridos y los alginatos, son eficaces coadyuvantes de floculación; sus características principales son la de ser bicoloides, cargados eléctricamente y tener una larga cadena molecular de átomos de carbono y gran masa molar. Son en su mayor parte de tipo no iónico y su empleo es en ciertos casos ventajoso pues pese a ser necesarios en dosis más elevadas generalmente tienen un costo inferior al uso de los polielectrolitos sintéticos.Sin embargo una importante ventaja de los polielectrolitos sintéticos, consiste en su facilidad de fabricación en la planta a partir de una larga serie de monómeros disponibles; de allí que estos productos puedan estructurarse en función de unos requisitos concretos, sus propiedades son análogas a las de los bicoloides naturales y pueden clasificarse según el tipo de carga eléctrica en aniónicos, catiónicos y no iónicos.Los polielectrolitos aumentan considerablemente el tamaño de los flóculos, pero de forma similar a lo que ocurre con la sílice, existe una dosis óptima, que sobrepasada se produce una floculación deficiente. En el caso de los polielectrolitos aniónicos la dosis óptima aumenta linealmente con la dosificación de sulfato de alúmina, pero no se modifica el margen de pH óptimo para la coagulación y por esto es que su acción se dice independiente de la acidez o alcalinidad, dureza y turbiedad. Los polielectrolitos catiónicos cuando se utilizan conjuntamente con coagulantes metálicos tienen las siguientes ventajas: reducción en la dosificación de coagulante, atenuación de la interferencia que sobre la coagulación tienen ciertas sustancias y capacidad de flocular organismos vivos, tales como algas y bacterias.Los polielectrolitos tienen un importante campo de empleo cuando la floculación se dificulta como consecuencia de cambios de calidad del agua o de la influencia de las temperaturas bajas. Tienen, también, destacadas ventajas con respecto a la sílice activada, entre las que pueden citarse:

Facilidad de preparación. Facilidad de almacenamiento.

Dosificación menor.

Sin embargo, entre otros inconvenientes merece destacarse el de su posible toxicidad, por lo que es indispensable tener en cuenta la legislación y las sustancias en él autorizadas.Para la elección del polielectrolito a utilizar se efectuaran siempre ensayos de laboratorio, asimismo se determinará el tiempo que debe transcurrir entre la introducción del coagulante y del floculante. En el caso de descarbonatación con cal, la elección debe orientarse hacia un floculante no iónico o aniónico. Para clarificación la elección debe hacerse entre un floculante no iónico, ligeramente aniónico o catiónico. Si el pH está próximo al de equilibrio, y en presencia de gran cantidad de materia orgánica, se ensayará, en primer lugar, un floculante catiónico.La floculación puede tener lugar en un aparato especialmente diseñado para este fin (floculador) o en el interior del decantador propiamente dicho. La elección del tipo de floculador está en relación con la elección del procedimiento de separación utilizado en la continuación del tratamiento, esta elección debe ser especialmente cuidada cuando la floculación es de tipo difuso y va seguida e decantación estática o flotación.

Los floculadores son depósitos o cubas provistas de sistemas de agitación que giran con relativa lentitud para no romper por cizalladura los flóculos ya formados, al mismo tiempo, la velocidad de agitación debe ser suficiente cara conseguir el engrosamiento progresivo del flóculo e impedir que se formen sedimentos en el fondo. Los sistemas de agitación utilizados pueden estar constituidos por hélices especialmente estudiadas o por un conjunto de palas fijadas sobre un eje giratorio vertical u horizontal, en donde es conveniente disponer de mecanismos que permitan adecuar la velocidad de agitación del floculador a la calidad del agua.

El volumen de la cuba de floculación debe ser el necesario para que se consiga el tiempo de floculación determinado mediante ensayos de laboratorio; si este volumen es muy grande, es preferible utilizar varios depósitos de pequeñas dimensiones colocados en serie, con agitación regulable e independiente. Por último, es importante que no se rompa el flóculo al pasar del floculador a la zona de decantación. Según la calidad resistente del flóculo la velocidad suele limitarse en un valor comprendido entre 0,2 y 0,5 m/seg.

Figura 26. Floculador de paletas.El floculador de la figura es el agitador mecánico más empleado, su eficacia es función del número de cámaras, por lo que mínimo deben ser cuatro; el él la entrada y salida deben diseñarse de manera que se eviten los cortocircuitos (para ello se adicionan pantallas deflectoras con orificios sumergidos y/o vertederos ahogados) y la destrucción de los flóculos (con gradientes de velocidad de 15 a 75 s-1). El tiempo de detección aún cuando se obtiene por los ensayos de laboratorio, debe ser mayor de 30 minutos, así mismo la velocidad de los agitadores debe ser ajustable de manera que se pueda variar para obtener la velocidad óptima para el agua tratada. Como condiciones de funcionamiento deben verificarse:

Que la dosificación y la mezcla rápida estén operando satisfactoriamente.Que el nivel del agua cubra siempre las paletas del agitador.

La velocidad de rotación que genera el gradiente óptimo según la calidad del agua cruda.

El tiempo de contacto para permitir que los flóculos alcancen el tamaño y peso adecuado.

El tamaño del flóculo formado, en caso de no ser suficiente, cambiar la dosis de coagulante.

Sí se emplean polielectrolitos, adicionarlos en la cámara en la cual ya se haya formado el flóculo.

Que los motores no derramen aceites al agua y que estos permanezcan libres de corrosión.

Otros tipos de floculadores son los hidráulicos, en los que los gradientes suelen rondar de 20 a 70 s-1 y los tiempos de retención entre 20 y 40 minutos; pueden ser:

De flujo horizontal: es un tanque dividido con pantallas de tal manera que el agua realice un recorrido de ida y vuelta

De flujo vertical: semejante al anterior pero por encima y debajo de las pantallas, así la profundidad del tanque debe ser de 2 a 3m

Floculador Alabama: consiste en una serie de mínimo 8 cámaras en las que el agua entra a cada una mediante unos codos que impulsan el fluido hacia arriba, colocados alternadamente.

De flujo helicoidal: el agua entra por el fondo en una esquina y sale por encima en la esquina opuesta, se ubican pantallas tal que no se generen cortocircuitos; recomendables en aguas poco turbias y que no contengan arenas.

El objeto de la decantación es el de conseguir que se depositen las partículas que se encuentran en suspensión en el agua, tanto si se trata de partículas presentes en el agua bruta como si se deben a la acción de un reactivo químico añadido en el tratamiento e incluso de las que resultan de una floculación física ligada a una acción biológica. El mecanismo de sedimentación descrito para partículas granulares estaba basado en una total independencia de cada partícula; este esquema, sin embargo, no es valido para en general para la sedimentación de partículas floculadas, puesto que en él producen dos fenómenos de acción opuesta:

Por una parte, un flóculo en su sedimentación atrapará nuevas partículas coloidales o incluso otros flóculos más pequeños, aumentando su volumen y por tanto su velocidad de caída.

Por otra parte, si la concentración de estos es alta, los flóculos comenzarán a establecer contactos entre sí, dificultándose mutuamente la caída.

Si bien en el caso de sedimentación de partículas floculentas, la velocidad de caída dependerá en gran medida de la concentración de estas, también depende de muchas otras variables tales como: carga superficial, gradientes de velocidad en el sistema y gama de tamaños; no obstante el efecto de estas variables solo puede determinarse mediante ensayos de sedimentación, a este tipo de sedimentación se le conoce como sedimentación difusa; pero cuando predomina la tendencia entre las partículas a estorbarse, se le denomina sedimentación frenada.

De esta última, que se estudia por medio de la teoría de Kinch, cuya hipótesis fundamental dice que la velocidad de caída de una partícula depende únicamente de la concentración local, es que se diseñan los diferentes tipos de decantadores, de los cuales pueden distinguirse tres tipos básicos:

Decantadores estáticos. Decantadores acelerados o de contacto de fangos.

Decantadores superacelerados.

Decantadores estáticos

Caracterizados por que la recogida de los flóculos se hace por simple sedimentación (similar a como se describió el caso de los desarenadores). Los decantadores estáticos pueden ser:

Intermitentes: se basan en el llenado de un depósito en el que el agua permanece varias horas, posteriormente se vacía la capa superior de agua hasta un nivel por encima de los fangos depositados. Este procedimiento puede ser interesante para instalaciones provisionales, pero escasamente útil para explotaciones industriales de la decantación.

De flujo continuo: en los cuales el agua floculada entra de forma continua en el decantador, este procedimiento resulta el más rentable en una explotación permanente, pero requiere un control del caudal, ya que sus variaciones provocan la formación de remolinos que a su vez, propician la ascensión de los flóculos a la superficie.

Para que se depositen los fangos, es preciso que la carga superficial (también denominada velocidad ascensional) sea inferior a la velocidad de caída de las partículas. Los decantadores están constituidos por un depósito rectangular o circular y en el caso de ser pequeños van provistos de fondos que tienen una inclinación de 45º a 60º con objeto de que los fangos puedan

evacuarse de forma continua o intermitente, por su parte inferior. En el caso de grandes decantadores, la fuerte inclinación del fondo conduciría a la necesidad de adoptar profundidades prohibitivas, por lo que su pendiente se reduce al mínimo y los fangos se evacuan mediante un sistema de rascado de fondo, que los reúne en una fosa de la que son extraídos con facilidad.

En los decantadores estáticos debe estudiarse cuidadosamente el reparto de agua bruta y la recogida del agua decantada para evitar la formación de corrientes preferentes y conseguir que el agua se reparta uniformemente en todo el volumen útil de decantación, dejando al mismo tiempo, una zona de calma para la sedimentación del fango. En el caso de que la coagulación se realice por la adición de reactivos químicos, el proceso de decantación debe ir precedido de un floculador, en este caso se dice que se trata de una “floculación difusa”, en la que el volumen de materias en suspensión estará compuesto por las existentes en el agua bruta y por las procedentes de los reactivos introducidos.

Figura 27. Decantador cilindro-cónico

Decantadores cilindro – cónicos:

Este decantador, de flujo vertical se utiliza para instalaciones de pequeño caudal, hasta unos 20 m3/h. La pendiente de la parte cónica suele tener entre 45º y 60º y la velocidad ascensional media suele estar comprendida entre 0,5 y 1 m/h. También se utiliza en el tratamiento de aguas residuales (en decantación primaria) para poblaciones menores de 2000 habitantes allí la velocidad suele ser de 1 a 2 m/h.

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Decantadores laminares:

La decantación puede mejorarse, introduciendo en el decantador una serie de láminas inclinadas, este fenómeno se revela, teniendo en cuenta que la velocidad ascensional es independiente de la altura del decantador. Las láminas inclinadas parten al decantador en una serie de módulos, cada uno de los cuales pasa a ser considerado como un decantador de menor altura, aumentándose entonces la carga superficial; este proceso se considera en decantadores acelerados y superacelerados, pero se utiliza también en los estáticos.

Figura 28. Decantador estático laminar SEDIPAC

En el equipo de la figura 28 se reúnen en un mismo recinto la zona de mezcla de reactivos, un floculador acelerado equipado con un dispositivo de placas deflectoras y una zona de decantación laminar; los fangos producidos descienden a contracorriente por las láminas inclinadas y se concentran en una tolva del fondo del aparato.

Los decantadores estáticos laminares, pueden ser de placas paralelas o bien de tubos inclinados, en todo caso con un diseño flexible y de fácil acceso para facilitar su retiro o cambio; contando que su inclinación debe ser de 60º, los espesores de 8 a 10 mm. y el espacio entre ellas de 5 a 10 cm. Los tiempos de retención de estos decantadores son de 10 a 15 minutos, profundidades entre 4 y 5.5 m y cargas superficiales entre 5 y 7.71 m/h. El sistema de salida debe cubrir toda el área de sedimentación y constar de tuberías perforadas o canaletas trabajando con un tirante de agua no menor a 8 cm.

Decantadores de flujo horizontal: Este tipo de decantadores tiene el inconveniente de exigir grandes superficies e importantes obras de fábrica, por ello su uso se limita a ciertos casos. En este tipo de decantadores la entrada debe ser realizada por un dispositivo hidráulico capaz de distribuir el caudal uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar la energía que trae el agua y garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual intensidad y dirección.

La unidad debe diseñarse de forma que permita un tiempo de detección de entre 2 y 4 horas, una carga superficial o velocidad de sedimentación de 0.08 a 1.25 m/h. o máximo (con control y operación especial) de 2.5 m/h. Una velocidad horizontal de flujo de aproximadamente 5 mm/sg. Una altura del nivel del agua entre 3 y 5 m. Relaciones ancho - largo 1 : 5 y largo - profundo entre 5 : 1 y 25 : 1. y una pendiente longitudinal mayor a 2 %.

Otro tipo de decantadores estáticos es el de barrido de fangos, su uso es muy extendido tanto en potabilización (predecantación, clarificación, tratamientos químicos, etc.) como en depuración de aguas residuales; en estos las velocidades de sedimentación máximas y la velocidad horizontal de flujo son iguales a las ya mencionados. Con el barrido de fangos en el fondo del decantador se consigue un espesamiento, consecuentemente un volumen de remoción más reducido y una menor pérdida de agua, a su vez pueden enviarse a una fosa de la que pueden ser extraídos con facilidad.

Estos decantadores de barrido de fangos pueden ser circulares de diámetro menor a 40 metros en donde el sistema de barrido va sujeto a una estructura que gira alrededor del eje del depósito, llevando una sola lámina de rascado que cubra radial o diametralmente el depósito o varias láminas convenientemente solapadas; dicha estructura se desplaza sobre el muro circular de coronación del decantador a una velocidad de aproximadamente 0.01 a 0.03 m/sg. arrastrada por un motor. La pendiente del fondo es de un 4 a un 10 % siendo así posible que los fangos se concentren en una fosa central para ser evacuados, las alturas periféricas suele oscilar entre 3 y 5 m.

Figura 29. Decantador longitudinal con sistema de cadenas.

De forma rectangular, su costo puede ser más elevado pero tiene ventajas como la implementación más compacta de los diferentes equipos de tratamiento; en cuanto a maquinaria se emplean sistemas sumergidos de cadenas continuas o mejor aún un puente-grúa que abarque todo el ancho del depósito desplazándose de un extremo al otro. Las fosas de fango van situadas justo bajo la entrada del agua bruta y la recogida de espumas antes de la salida del agua decantada. Las condiciones geométricas y de flujo se adaptan a las ya mencionadas en decantadores de flujo horizontal.

Decantadores acelerados o de contacto de fangos

Dado que las posibilidades de encuentro de las partículas aumentan con su concentración en el agua, en los decantadores por contacto de fangos se combina la floculación y la decantación en un aparato único, a ello se debe la idea de reforzar dicha concentración conservando en el líquido un elevado porcentaje de fangos formados en el tratamiento anterior. Para conseguir que los fangos se mezclen con el líquido, pueden utilizarse dos procedimientos:

Aparatos de recirculación de fangos: en los que los fangos se separan del agua clarificada en la zona de decantación, luego se recirculan haciéndolos pasar a una zona de mezcla, provista de un sistema de agitación mecánica o hidráulica donde se mezclan con el agua bruta a la que se han añadido los reactivos correspondientes.

Aparatos de lecho de fangos: en los que se pretende que el fango se mantenga en forma de una masa en expansión, que el agua pueda atravesar de abajo a arriba de forma regular y uniforme, la agitación en ellos es muy lenta y tiene lugar en el punto de introducción del agua a tratar.

Con estos sistemas se consiguen precipitados densos y por lo tanto, puede aumentarse la velocidad ascensional del agua; como es obvio, el fenómeno de floculación mejora en efectividad y debido a la concentración de fangos que se produce, a la cantidad de reactivo introducida se le da un óptimo rendimiento; se consigue además, una mejor adsorción de las materias disueltas sobre el flóculo formado. En el caso de tratamiento con carbón activo en polvo, la concentración de este es tal que en el lecho o nube de fangos, se puede dar lugar a una economía del 40 % del carbón utilizado.

Sin embargo el diseño y funcionamiento de estos aparatos es delicado, ya que debe procurarse que la agitación sea lo suficientemente lenta como para no romper los flóculos ni provocar una nueva suspensión coloidal. También deberá cuidarse que las partículas antiguas que se ponen en contacto con el líquido floculante se encuentren en el mismo estado físico que las formadas por los reactivos añadidos, es decir los fangos que se reintroducen no deberán haberse concentrado durante una decantación prolongada que hubiese dado lugar a una excesiva deshidratación.

En el seno del lecho de fango o de la zona de mezcla, el fango se encuentra en suspensión y ocupa un volumen aparente que varia según su densidad y la velocidad ascensional del agua; por lo que en dichas zonas no puede producirse la aglomeración y posterior concentración del fango. Para resolver este problema, se diseñan unas zonas tranquilas donde los fangos se concentran; estas zonas suelen estar constituidas por fosas (denominadas concentradores) en las cuales se produce una decantación que concentra los fangos. Los fangos se extraen automáticamente por medio de válvulas o sifones.

También en este tipo de decantadores se emplea el principio de la decantación laminar, de forma que puedan aumentarse las velocidades ascensionales, los módulos laminares se suelen colocar en la zona de decantación. Es de señalar que los decantadores por contacto de fangos se utilizan profusamente en todos los procesos de depuración en los que intervienen reactivos químicos corno son:

Coagulación de materias coloidales (clarificación). Decoloración y desodorización.

Precipitación de sales alcalino-terreas (descarbonatación, desendurecimiento).

Eliminación de hierro y manganeso.

Tratamiento de aguas residuales por vía química.

Decantadores de recirculación de fangos: Los decantadores de recirculación de fangos se caracterizan por la existencia de una zona de reacción o mezcla y una zona de decantación, los fangos se recogen en esta última y a continuación, se envían nuevamente a la zona de mezcla. En estos aparatos, cuyo principio de funcionamiento es simple, deben evitarse la formación de depósitos de fango procurando que este circule de forma regular, sin importantes movimientos de torbellino y tratando de conseguir su mezcla sin excesiva agitación. Las velocidades de sedimentación superan los 2 m/h y se catalogan dentro de este apartado, los siguientes tipos de decantadores denominados como “de patente”: CIRCULATOR, TURBOCIRCULATOR, ACCELATOR y Decantador laminar R.P.S.

Figura 30. Decantador TURBOCIRCULATOR.

Decantadores de lecho de fangos: La idea de hacer atravesar el agua por una nube de fangos que permanece en estado de suspensión concentrada y conseguir de esta forma una floculación acelerada, tropezaba con una serie de dificultades. Si una nube de fangos es atravesada de abajo a arriba por una corriente de agua, puede ocurrir que si la velocidad ascensional sea muy alta y el fango pueda ser arrastrado hacia arriba, produciéndose una acción disgregante (Figura 28). Si no ocurre esta circunstancia se observa que al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento el fango no permanece en suspensión en el líquido, por el contrarío, va concentrándose progresivamente y finalmente se observa una masa compacta de fangos en cuyo seno el agua ha creado un paso. Es evidente que, en estas condiciones, no se produce un contacto eficaz entre el agua y el fango.

En cambio, si la entrada de agua se realiza de una forma intermitente, introduciendo un fuerte caudal durante un tiempo muy corto seguido de un periodo de reposo prolongado, se comprueba que la masa de fango se mantiene en suspensión regular; todo el fango es arrastrado hacia arriba durante la introducción del agua pero, a continuación durante el periodo de reposo siguiente, se deposita de una forma regular, como lo haría una probeta de agua fangosa que se

dejara en absoluto reposo. De esta forma, se consigue una masa de fango homogénea en todos sus puntos.

Si se hace pasar a través de una capa de fango una corriente vertical de agua, se comprueba que el volumen ocupado por el fango varía con el caudal y aumenta con éste hasta un cierto límite, por encima del cual la expansión del fango es tal, que las partículas que lo constituyen se encuentran tan alejadas unas de otras, que la fuerza de gravitación es insuficiente para mantener la cohesión entre ellas y el fango es entonces arrastrado por el agua (Figura 28). El efecto del lecho de fangos queda suprimido y la velocidad límite, así definida, es la velocidad máxima a la que podrá funcionar el decantador, sin embargo para mejorar la cohesión de los fangos y por tanto aumentar la velocidad máxima posible, pueden emplearse coadyuvantes de floculación.

Figura 31. Comportamiento de un lecho de fangos sometido a velocidades ascensionales crecientes.

En este tipo de decantadores se encuentran los decantadores de “patente” PULSATOR y PULSATOR LAMINAR como aplicaciones industriales de las consideraciones anteriormente expuestas; con estos se consiguen velocidades ascensionales que pueden llegar, según la naturaleza de las materias en suspensión, a 8 m/hora.

Figura 32. Decantador PULSATOR.

Decantadores superacelerados

El termino decantación superacelerada debe entenderse como decantadores “llevados al límite de su funcionamiento”, pues han conseguido velocidades ascensionales muy superiores a las de la decantación acelerada clásica, pasando de 2.5 – 7 m/h. a velocidades de 5 a 20 m/hora. No obstante la velocidad ascensional está irremediablemente limitada por la velocidad teórica máxima, a partir de la cual una ganancia se obtendría únicamente a costa de una perdida de la calidad de la clarificación y una inestabilidad de funcionamiento.

Entre los decantadores superacelerados pueden citarse los: SUPERPULSATOR y CYCLOFLOC, el primero de ellos combina el efecto laminar y el contacto de un lecho de fangos. El segundo recurre al lastrado de flóculos mediante la adición de microarena de cuarzo que posteriormente se recupera.

Por precipitación química se entiende la formación, por acción de los reactivos apropiados, de compuestos insolubles de los elementos indeseables contenidos en un agua. Los procesos que con mayor frecuencia se dan en el tratamiento de aguas son:

Eliminación de los iones calcio y magnesio (dureza)

El tratamiento de precipitación química más utilizado para la eliminación del calcio y del magnesio es el de la descarbonatación por cal; se busca en este eliminar la dureza temporal (llamada también dureza bicarbonatada). Así pues, este tratamiento únicamente conduce a una eliminación parcial de la suma de los iones calcio y magnesio, puesto que no ejerce acción alguna sobre la dureza permanente.

Si las dosis de reactivos se ajustan con exactitud, se reduce la alcalinidad del agua que en las condiciones habituales de presión y temperatura esta comprendida entre 20 y 30 ppm de CaCO3. La presencia de coloides orgánicos puede impedir la cristalización, y por ello se añaden al agua bruta reactivos coagulantes (sulfato de alúmina, cloruro férrico, etc.) con el fin de eliminar estos coloides.

Aunque es poco frecuente, todavía se procede a la eliminación de la dureza mediante carbonato sádico en frío, asociada a la precipitación de los bicarbonatos de calcio y magnesio con cal; con este procedimiento aún en los casos mas favorables, no es posible reducir la dureza total por debajo de las 30 a 40 ppm de CaCO3 Generalmente, es preferible combinar la descarbonatación con cal con un desendurecimiento mediante un intercambiador de cationes en el ciclo Na.

Una variante del proceso de tratamiento conjunto mediante cal y carbonato sádico, es la eliminación del calcio y magnesio por precipitación con sosa cáustica donde la precipitación del carbonato cálcico va unida a la formación de carbonato sódico, el cual reaccionará sobre la dureza permanente

Eliminación del silicio

La eliminación del silicio corresponde más bien a un proceso de adsorción que de precipitación química propiamente dicha, sin embargo esta eliminación se combina generalmente con la reacción de descarbonatación. El contenido de silicio de un agua natural puede transformarse en un silico-aluminato complejo de calcio y hierro, esto se consigue añadiendo al agua dosis convenientes de cloruro férrico, aluminato sódico y cal, los resultados generalmente mejoran si se realiza al mismo tiempo la descarbonatación del agua, pudiendo llegar los porcentajes de reducción al 70 u 85 %

El silicio puede eliminarse también con hidróxido magnésico ya sea en frío o en caliente. En frío, el procedimiento consiste en introducir en el agua hidróxido magnésico preparado “in situ”, partiendo de óxido magnésico, puesto en solución por inyección de CO2 y precipitado seguidamente por cal, obteniéndose unos resultados, similares a los indicados en el apartado anterior. En caliente, consiste en tratar el agua a una temperatura próxima a los 100°C con una mezcla de cal y polvo de magnesia anhidra porosa; la sílice se fija entonces por adsorción hasta quedar un contenido residual del orden de l mg/l. Este procedimiento seguido de un desendurecimiento, se utiliza con frecuencia en la alimentación de calderas de presión media.

Eliminación de fluoruros y fosfatos

El ión fluoruro se insolubiliza en forma de fluoruro cálcico que precipita hasta el límite de su solubilidad. Los fosfatos precipitan por medio de una sal de calcio o de hierro, en forma de fosfatos de dichos iones, también en estos casos se aceleran las reacciones por la presencia de cristales preexistentes, dando lugar a la formación de precipitados voluminosos.

Precipitación de hidróxidos metálicos

En este caso se trata principalmente de la eliminación de metales pesados: cadmio, cobre, cromo, plomo, níquel, cinc, hierro, etc. Estos metales tienen la propiedad común, siempre que se encuentren en estado de iones y no de complejos, de precipitar en forma de hidróxidos o incluso de hidrocarbonatos, en una zona de pH característica de cada uno de ellos. Para pHs comprendidos entre 8,5 y 9,5, puede decirse que, en general, la solubilidad de estos metales permanece dentro de unos límites tolerables.

Como ya se ha indicado, para que la precipitación sea rápida, es preciso que la reacción tenga lugar en presencia de una masa de cristales ya formados, así pues, los aparatos utilizados en la precipitación serán aparatos de contacto de fangos, o bien reactores con masa de contacto granular. Para este tipo de tratamiento, exceptuados los decantadores estáticos que producirían una reacción excesivamente lenta, se utilizan los decantadores que combinen con la floculación (CIRCULATOR, ACCELATOR, etc.) o de lecho de fangos (PULSATOR, SUPERPULSATOR).

Los aparatos con masa de contacto granular, se caracterizan por el empleo de una masa granular denominada ‘catalizante”, generalmente constituida por granos de arena de 0,2 a 0,4 mm. El carbonato cálcico precipita en la superficie de los granos, lo que da lugar a una buena separación del precipitado. Finalmente señalar que existen aparatos especialmente diseñados para los procesos de precipitación en caliente, cuyo funcionamiento no difiere gran cosa de los decantadores clásicos.

 reactivos

El costo de explotación de una planta de tratamiento de aguas potables está muy influenciado por una manipulación y correcto y racional uso de los numerosos productos químicos que se utilizan en el tratamiento del agua, estos se conocen con el nombre genérico de reactivos y pueden distinguirse:

Coagulantes (sulfato de alúmina, cloruro férrico, etc.) Oxidantes y desinfectantes (cloro, ozono, etc.)

Coadyuvantes (sílice activada, electrolitos)

Generales, talos como bases (sosa, cal, etc.)

Ácidos (sulfúrico, clorhídrico, etc.) para ajustes del pH.

En donde su manipulación comprende un gran número de operaciones como pueden ser el almacenamiento, dilución, disolución, transporte, dosificación, etc. El almacenamiento de los reactivos debe hacerse de la forma más automatizada posible tal que se eviten polvaredas y riesgos de intoxicación; así mismo debe tenerse siempre la posibilidad de verificar de forma sencilla las cantidades de los diversos productos almacenados.

Los reactivos en polvo pueden almacenarse de alguna de las siguientes formas:

En sacos sobre una superficie especialmente dispuesta y en un local adecuado, este método es típico de pequeñas instalaciones.

Abastecidos a granel en tolvas o silos de capacidad variable en materiales como metal, hormigón o poliéster reforzado con fibra de vidrio, el llenado de los silos puede realizarse:

Mecánicamente: mediante bombas transportadoras o cangilones.

Neumáticamente: fluidificado por presión de aire.

Un problema básico de los reactivos en polvo es su tendencia a aglomerarse, esto puede resolverse por varios sistemas tales como recipientes hinchables, con aire comprimido o mediante vibración; para el control del nivel del producto existen varios sistemas, entre los que pueden citarse la resistencia encontrada por motores flotantes, la capacidad dieléctrica, los ultrasonidos, etc.

Los reactivos líquidos, en instalaciones pequeñas se adquieren en pipas o bidones, en instalaciones más importantes, el suministro se realiza en camiones o vagones-cisterna, de donde son transferidos a las cubas de almacenamiento por gravedad, presión de aire o bombeo; Estas cubas pueden ser construidas en acero, concreto o materiales plásticos, según la

naturaleza del producto a almacenar y si es necesario deben ir protegidos contra la corrosión.

Los reactivos gaseosos que se utilizan en el tratamiento del agua (cloro, anhídrido sulfuroso, amoniaco, etc.) se almacenan a presión, en estado líquido, en botellas, tanques o cisternas de acero, situados en locales especialmente acondicionados de acuerdo con la legislación vigente, caso por ejemplo del cloro, que por su toxicidad, presenta problemas especiales que se tratarán luego.

La dosificación de los reactivos puede realizarse según estos vengan: en polvo, en líquido o en gas; en los casos de dosificación en seco de productos en polvo, esta puedo efectuarse:

De forma volumétrica con una válvula alveolar, es conveniente señalar que la conversión volumen/masa es imprecisa, ya que depende de parámetros tales como el grado de apelmazamiento, su uso pues debe limitarse a instalaciones que no requieren una gran precisión, los caudales así dosificados pueden ir desde 50 a 1000 litro/hora.

De forma gravimétrica en los que el producto distribuido se pesa continuamente, cualquier desviación entre el valor medido y el valor previsto, da lugar a una acción sobre el dispositivo de dosificación que tiende a anular dicha desviación, es un procedimiento de gran precisión.

En otros casos, los reactivos se dosifican en forma concentrada y se diluyen a continuación, para su empleo a la concentración conveniente, en otros casos, los reactivos se usan en forma de soluciones diluidas o suspensiones preparadas a partir de soluciones concentradas.

La dosificación de reactivos en forma líquida pueda realizarse:

Por gravedad, en los cuales una toma de superficie desciende en el depósito, manteniendo una velocidad de entrada constante.

Con bombas alternativas de pistón, bombas alternativas de membrana o bombas dosificadoras de fuelle, que son una variedad de las bombas de pistón, apropiadas para líquidos muy corrosivos.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080004/contenido/Capitulo_8/Pages/Proceso_tratamiento_aguas(b)_continuacion4.htm