TRATAMIENTO FISICO-QUIMICO DEAGUAS RESIDUALES

Ing. Oscar Ruiz Carmona

Servi Aqua Móvil, S.A. de C.V.Matías Romero No. 116, Col. del Valle

C.P. 03100, México, D. F.Tels. 5575-8150, 5575-8153 Fax. 5575-1924

INTRODUCCIÓN

Los procesos para el Tratamiento de aguas residuales se basan en la eliminación de loscontaminantes hasta alcanzar los valores máximos permisibles de acuerdo a las normas yestándares nacionales o internacionales. En virtud de la diversidad de contaminantes quese pueden presentar en las aguas residuales, el número de procesos existentes estambién muy amplio, no obstante estos procesos se pueden agrupar de acuerdo al tipo defenómeno o principio en el cual basan su operación.

Una clasificación amplia en la que se puede agrupar los procesos de tratamientos, esaquella que está de acuerdo al tipo de fenómeno asociado:

Ø FísicoØ QuímicoØ BioquímicoØ Físico-químicoØ Enzimático

En este trabajo se presenta un análisis de los procesos físico-químicos utilizados en eltratamiento de soluciones coloidales, las cuales se presentan con frecuencia en muchasindustrias como son: metal-mecánica, textil, lavandería, alimenticia, automotriz, petrolera,química, petroquímica, minera, galvanoplastia, agropecuaria y otras más.

SOLUCIONES COLOIDALES

Las soluciones coloidales se caracterizan por estar constituidas por una dispersión departículas sólidas o líquidas en agua y que son difíciles de eliminar utilizandoprocedimientos como pueden ser gravedad, filtración y otros.

El tamaño de las partículas oscila entre 0.01 a 5 micras y son bastante estables de talforma que pueden permanecer en dicha condición por bastante tiempo.

Esta estabilidad se logra mediante un fenómeno físico-químico de cargas eléctricas entrelas partículas dispersas y se explica de acuerdo a la teoría de doble capa conocida comoTeoría DLVO (Derjaquin, Landau Verwery y Oberbeek).

Prácticamente en la mayor parte de las industrias se pueden presentar este tipo desoluciones sobre todo cuando existen compuestos del tipo emulsificantes, los quefavorecen la formación de soluciones coloidales que en el caso de ser de partículaslíquidas se conocen como emulsiones.

COAGULACIÓN Y FLOCULACION.

Desestabilización.

El fenómeno mediante el cual se logra desestabilizar el coloide y su aglomeraciónposterior, es lo que se conoce como coagulación y floculación, de hecho es un proceso endos etapas.

En la primera etapa de coagulación se elimina la doble capa eléctrica que caracteriza alos coloides, y la floculación se da a continuación y consiste básicamente e laaglomeración de los coloides mediante la atracción de las partículas con el aglutinamientoque se logra por la presencia de sustancias conocidas como floculantes.

La coagulación-floculación de los coloides se puede lograr mediante uno o varios de lossiguientes mecanismos:

Ø Compresión de la doble capaØ Neutralización de la cargaØ AglutinamientoØ Entrampamiento.

Mecanismos.

Los mecanismos que se presentan en el tratamiento de aguas, son los tres últimos ynormalmente la coagulación-floculación se logra con la presencia de dos de ellos.

La neutralización de la carga se logra mediante la adición de una sustancia denominadacoagulante y que puede ser algún polímero inorgánico u orgánico de naturaleza catiónica.

Las cantidades que normalmente se requieren son bajas y un exceso de coagulantefavorece para que la solución coloidal se haga más estable.

El aglutinamiento normalmente es un mecanismo que se desea realizar una vez que lascargas eléctricas hayan sido neutralizadas. Esto se puede lograr con la adición de unpolímero que permita que los flóculos se vayan aglomerando.

El entrampamiento es tal vez uno de los mecanismos más utilizados sobre todo cuandolas soluciones son muy estables. Este se logra mediante la formación de un flóculo dealgún hidróxido de aluminio o de fierro, bajo condiciones controladas de concentración ypH. Este flóculo arrastra los coloides y los entrampa dentro de su red para así eliminarlos.

Mezclado.En la práctica, una de las variables más importantes para lograr la floculación de loscoloides es el mezclado.

En general se distinguen dos tipos de mezclado necesarios para lograr el fenómeno,primero un mezclado rápido para lograr la desestabilización de las partículas y segundo unmezclado lento que favorezca una variación gradual del gradiente del flujo. Este último esel requerido para llevar a cabo la floculación.

VARIABLES EN EL PROCESO FISICO-QUIMICO.

Las operaciones que se llevan a cabo en el proceso físico-químico para el tratamiento deuna solución coloidal son:

• Mezclado• Coagulación• Floculación• Separación

Cada una de estas operaciones tiene sus variables de diseño u operación definidas ypara lograr un buen resultado, es necesario que las variables estén dentro de los límitesque establece el proceso.

Las dos primeras operaciones, mezclado – coagulación, se deben considerar como unasola, ya que después del mezclado se logra la coagulación.

Las variables que intervienen y que hay que considerar para lograr una buena operaciónson:

Variables de las soluciones:• Aceite y/o grasas presentes• PH• Sólidos suspendidos• Metales presentes• Alcalinidad

Variables del equipo:

• Tipo de equipo• Parámetros específicos

Aceite y/o grasas.La presencia de grasas y aceites principalmente en estado de aceite libre, es inadecuadopara el tratamiento de una solución coloidal. Una de las principales razones es quedurante el proceso físico-químico se requiere de agitación y el aceite libre normalmentetiende a emulsificarse, por lo que si el propósito del tratamiento es romper la emulsión,esto no se lograría totalmente si se incorpora más aceite en la emulsión.

Por lo anterior es indispensable que antes de tratar la emulsión, se separe mediantemedios convencionales todo el aceite libre presente en la mezcla.

pH.El pH de la solución, es muy importante y requerirá normalmente de un ajuste antes deiniciar el tratamiento.

Como se ha señalado en el inciso anterior, una de las formas más comunes de efectuar lacoagulación, es la utilización de sales de aluminio y/o fierro, para precipitar los hidróxidoscorrespondientes, siguiendo el mecanismo de entrampamiento.

Esto ha sido motivo de muy diversos estudios en los cuales se ha determinado lascondiciones bajo las cuales se logran formar los hidróxidos más estables en solución. Entérminos generales el pH es una de las variables más importantes y los valores deben deser de alrededor de 5 – 7.5 para estos compuestos.

Sólidos Suspendidos.Los sólidos suspendidos en la solución pueden ser en muchos casos un obstáculo parautilizar los equipos en forma eficiente. Esto es aplicable a bombas y mezcladores en línea.

En algunos casos la presencia de sólidos puede ayudar a obtener una floculación másefectiva, por lo que se deberá considerar la opción de manejarlo con sólidos. En caso deser atractiva esta situación, el sistema deberá diseñarse con equipo específico para elmanejo de sólidos, el cual por lo general tiene un costo mayor.

Para cualquier otra situación es necesario eliminar los sólidos mediante trampas desólidos, separadores de placa, mallas, tambores con mallas o filtros.

Metales Pesados.En el caso de tenerse metales pesados, se deberán determinar las características de lasolución en cuanto a su composición y condiciones de precipitación del metal o metales.

Normalmente la eliminación de los metales es prioritaria por lo que el sistema detratamiento se deberá diseñar en torno a sus condiciones.

Existen amplias referencias que señalan las condiciones de precipitación óptima de losmetales, por lo que es conveniente su utilización para fijar las áreas de operación.

Alcalinidad.La alcalinidad presente en el agua residual, es muy importante, pues como se señaló conanterioridad el pH del agua tratada es clave en el resultado final.

Otra de las variables que es necesario controlar, es la concentración del coagulante en elagua residual. Para lograr esto y al mismo tiempo cumplir con el pH final, es necesariorealizar un ajuste previo mediante la adición de ácido en caso de que la alcalinidad seaalta o bien mediante la adición de una base cuando el pH es bajo.

Equipo de Mezclado.Existe una gran variedad de equipo de mezclado que puede utilizarse para efectuar lamezcla rápida requerida para llevar a cabo la coagulación.

La selección del equipo estará en función del flujo del agua a tratar y la economía delsistema. Cuando el mezclado se realiza mediante un equipo convencional de tanque conagitación, el criterio para su dimensionamiento está en función del gradiente de velocidadrequerido durante el mezclado, el cual se estima mediante la siguiente ecuación:

G = P/Vν donde: G= Gradiente de velocidadP= Potencia del agitadorV= Volumen del tanqueν= Viscosidad cinemática

Esta ecuación fue definida desde 1943 por Camp and Stein y se continúa utilizando comola mejor alternativa, habiéndose definido los valores requeridos para obtener unaoperación eficiente.

Existe bastante información experimental y en manuales de diseño donde se dan valoresrecomendados para los diversos tipos de mezclado.

Los principales sistemas de mezclado rápido que se utilizan son:• Tanques con agitadores• Inyección de reactivos en tubería mediante tobera• Turbina en línea• Mezcladores en línea• Mezcladores estáticos

Para todos estos sistemas se ha derivado las ecuaciones para estimar los valores de losGradientes de Velocidad G y poder aplicar los criterios definidos.

Equipo de Mezclado (Floculación)La floculación, como se señala en uno de los incisos anteriores, es el proceso en el cuallas pequeñas partículas que se han formado durante la desestabilización de la soluciónaumentan de tamaño mediante la unión de varias partículas de todo el sistema.

Esto se logra mediante un proceso de agitación lenta a lo largo de varios minutos decontacto. Una agitación violenta destruirá los flóculos firmados en un principio por lo quela agitación se deberá mantener dentro de ciertos valores. Nuevamente una medida de laagitación está dado por el gradiente de velocidad G y los valores Gt han sidodeterminados por diversos investigadores.

Los sistemas utilizados para efectuar la floculacón son esencialmente de dos tipos:• Hidráulicos• Mecánicos

HidráulicosLos sistemas hidráulicos mantienen, mediante un flujo por gravedad con variaciones enárea y dirección, el gradiente de velocidad necesario para realizar la floculación.

Entre los principales sistemas se encuentran los floculadores con mamparas dediversos diseños y camas empacadas.

MecánicosEn estos sistemas el gradiente de velocidad requerido se proporciona mediante laagitación lenta que se realiza en el agua parcialmente tratada. El equipo utilizado esdiversos, agitadores con aspas de dimensiones grandes, agitadores tipo rueda conpaletas.

SeparaciónLa separación de los sólidos que se han formado en el proceso coagulación-floculación,se logra mediante procesos convencionales o combinación de varios. Entre losprincipales están: Sedimentación por gravedad.

Placas separadorasFiltrosCentrífugas.

El proceso de separación es también clave para lograr una buena operación por lo querequiere de un análisis detallado para seleccionar el sistema a utilizar dentro de una gamamuy abundante.

EQUIPO INTEGRAL.

En equipos que manejan flujos altos de agua, normalmente los componentes del sistemase tienen perfectamente delimitados y su secuencia es conforme el diagrama de flujo.

Para equipos de menor flujo (alrededor de 500 m3/día y menores) y sobre todo paraequipos de aguas aceitosas, los sistemas de tratamiento se diseñan de forma integral ycompacta. (Véase Diagrama de Flujo y Plano de Localización anexos.)

Esto es prácticamente todos los componentes se integran en una sola unidad. Existendiversos equipos con estas características como son:Ø Equipos de flotación con aire disuelto.Ø Equipos de flotación inducidaØ Equipo mezclado-contacto tipo Premix.

Equipo de flotación con aire disuelto y con aire inducido.Este equipo ha sido utilizado durante varios años y se ha convertido en un sistema para elprocesamiento de soluciones con material disperso, entre sus principales aplicaciones hasido la separación de aceite en aguas residuales.Una de las partes esenciales del equipo es el sistema de disolución de aire a presión y sudesorción cuando se libera la presión en el tanque de flotación.

Mediante este mecanismo el aire disuelto a presión (alrededor de 60 psig) se desorbeformando pequeñas microburbujas que sirven para formar los medios de la coagulación ylas partículas de aceite liberadas se llevan a la superficie por flotación.

Las eficiencias de un sistema de este tipo son altas y el aceite residual puede ser delorden de 20-30 ppm.

En el equipo de un sistema de flotación mediante aire inducido, el aire se introducemediante eductores que se encuentran a la succión de las bombas y que se liberan en lascámaras de flotación. Normalmente se cuentan con tres o cuatro cámaras de flotaciónoperando en serie. La eficiencia de separación es similar a las del aire disuelto.

DIVERSAS APLICACIONES EN MÉXICO.

Se han tenido diversas aplicaciones prácticas utilizando tratamiento físico-químico; acontinuación presentamos cuatro casos de instalaciones en México.

Mina de Arena.Agua residual con finos de arcilla formada durante el proceso hidroneumático desegregación de arenas en una mina.

Objetivo: Recuperar el agua, mediante la separación de las partículas dispersas yevitar la descarga de aguas lodosas que pueden afectar poblaciones cercanas.

Tratamiento utilizado: Coagulación-Floculación utilizando polímero orgánico, el cualse inyecta en la línea con una tobera interna. La floculación se efectúa en tanques conbafles de orificios alternos. La separación final se efectúa con separador de placas.

Características del agua: Capacidad (max.) 22,500 m3/día en cuatro trenes deseparación.

Parámetro Entrada SalidapH 6.2 6.2Sólidos Suspendidos mg/litro 55,900 58Sólidos totales mg/litro 57,590 1,748Turbiedad mg/litro 14.4 6

Agua Residual de Industrias de Alimentos.Agua residual procedente de diversos procesos y aguas de lavado en una planta deproducción de polvos alimenticios y aromatizantes.

Objetivo: Tratamiento primario para reducir el contenido de grasas y aceites,detergentes, sólidos suspendidos para acondicionar el agua a un tratamiento biológicosecundario.

Tratamiento utilizado: Coagulación-Floculación utilizando sulfato de aluminio comocoagulante y un polímero orgánico. Mezclado mediante un mezclador en línea.Floculación en tanques con inyección de aire y separación final con separador de placas.

Características del Agua:Capacidad: 3.6 m3 por hora.Tiempo normal de operación: 8 horas.

Parámetro Entrada SalidapH 4.5 7.0Grasas y Aceites mg/litro 85.0 22.3Sólidos Suspendidos mg/litro 235.0 22.0Sólidos totales mg/litro 1944 1731

Parámetro Entrada SalidaDemanda Química de Oxígeno mg/litro 1520 1080SAAM mg/litro 9.2 2.3

Los valores son Promedio.

Aguas Residuales Aceitosas.

Agua residual procedente de taller mecánico.

Objetivo: Tratamiento primario para reducir el contenido de grasas y aceites,detergentes, sólidos suspendidos para acondicionar el agua a un tratamiento biológicosecundario o descargar al alcantarillado.

Tratamiento utilizado: Proceso intermitente por lotes, Coagulación-Floculación,utilizando sulfato de aluminio y polímero orgánico.Mezclador en línea, Floculación en tanque, floculador con inyección de aire y separaciónpor gravedad y filtración.

Características:Capacidad: 3 m3 por loteTiempo de procesamiento: 3 horas

Parámetro Entrada SalidapH 8.5 7.0Grasas y Aceites mg/litro 360 32Sólidos Suspendidos mg/litro 176 28Sólidos totales mg/litro 865 717Demanda Biológica de Oxígeno mg/litro 1230 795SAAM mg/litro 6.5 1.9

Aguas Residuales de Granjas.Aguas residuales de granjas porcícolas con más de 100 puercos.

Objetivo: Tratamiento primario para reducir el contenido de sólidos dispersos yobtener un agua con compuestos nutrientes de menor demanda biológica de oxígeno quepudiera emplearse en riego o bien enviarse a tratamiento biológico secundario.

Tratamiento utilizado: Coagulación-Floculación utilizando sulfato de aluminio comocoagulante.

El mezclado se hace mediante un mezclador estático, la floculación en tanques conagitación e inyección de aire, sedimentación y filtración con filtro de arena.

Características:Capacidad: 1.8 m3 por hora

Parámetro Entrada SalidapH 8.3 7.2Sólidos Suspendidos mg/litro 1540 35Demanda Biológica de Oxígeno mg/litro 12,210 2,100

CONCLUSIONES

Existen un buen número de aguas residuales que se presentan en forma de solucionescoloidales.

El tratamiento físico-químico que utiliza productos químicos para desestabilizar lassoluciones, es un proceso efectivo.

Mediante este proceso se eliminaron los contaminantes tóxicos y en algunas ocasiones sereduce considerablemente la Demanda Biológica de Oxígeno.

Es importante para una buena operación el que se vigilen las variables del proceso.

En principio el equipo involucrado no es de grandes dimensiones por metro cúbico deagua tratada por lo que en general los costos mediante este tratamiento no son elevados.

RESUMEN

Actualmente uno de los procedimientos más comunes para el tratamiento de aguas, es eltratamiento físico-químico de soluciones coloidales.

La formación de este tipo de soluciones es muy común en diversas industrias, por lo quees muy conveniente conocer la forma en que se realiza la operación.

En este trabajo se describen los elementos de una solución coloidal y se presentan losmecanismos bajo los cuales se desestabilizan para lograr la separación de las fases.También se revisan las etapas en el proceso, esto es: Mezclado, Coagulación,Floculación y Separación y para cada una de ellas de analizan las variables de diseño yoperación.

Finalmente se presentan a manera ilustrativa, los datos reales de la operación de diversossistemas de tratamiento físico-químico, en los cuales participa el autor en el diseño einicio de operación.