Tema 7: Tratamiento de aguas de consumo

1. Introducción

Se puede explicar el tratamiento de aguas como el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico, físico-químico o biológico cuyo objetivo es eliminar la contaminación o las características no deseables de las aguas para así poder obtener unas aguas con las características adecuadas al uso que se les vaya a dar.

Existen distintos tratamientos posibles, los cuales dependerán de dos factores:

- Uso y aplicación final: agua potable, industrial o agrícola.- Naturaleza del agua: superficial o subterránea.

Uno de los requisitos a tener en cuenta es que el agua a tratar debe ser al menos de 100 L/hab.día

Las principales fuentes de contaminación del agua natural son:

- Infiltraciones de aguas residuales- Vertidos industriales- Vertidos accidentales- Escorrentías superficiales

Dependiendo de si tenemos aguas superficiales o subterráneas las operaciones realizadas son las siguientes:

Aireación

Filtración

Aguas subterráneas Reblandecimiento

Desinfección

Almacenaje

Pre sedimentación

Mezcla y floculación

Agua superficial Filtración

Adsorción

Desinfección

Almacenaje

2. Procesos de pretratamiento de aguas

Desbaste: Tiene por objeto proteger a las instalaciones de la posible llegada de partículas que puedan provocar obstrucciones. Consiste en la eliminación de los componentes solidos del agua por medio de rejas que presentan barrotes paralelos. La velocidad de paso a través de la reja debe ser suficiente para conseguir que la retención de las partículas sea máxima y la perdida de carga mínima.

Almacenamiento, ecualización y neutralización: Al extraer agua bruta de un río es prudente disponer de tanques de almacenamiento del agua bruta que sirven como línea de seguridad en el caso de que el río se llegue a contaminar y como depósitos en tiempos de caudales bajos. Los tanques de almacenamiento también ayudan en los procesos de tratamiento ya que al asentarse el agua permite que parte de su materia en suspensión sedimentable, comience a decantar. Si el tanque es abierto el periodo de tiempo de decantación es de 10 días para reducir patógenos por exposición a la luz solar y no debe ser más largo pues favorece el crecimiento de algas indeseables.

Aireación: Se basa en el suministro de oxígeno de la atmósfera para producir cambios beneficiosos en la calidad del agua. Tiene como objetivo la eliminación de H2S, CO2 y aumentar el contenido de oxigeno

Pretratamientos químicos: Son procesos de mayor coste debido al uso de reactivos. Destacan la percloración (aguas poco turbias) donde se inyecta el cloro dando lugar a la oxidación y precipitación del Mn y Fe. El otro pretratamiento es el uso de carbono activo que puede usarse en polvo o granular (dosis entre 3 y 20 mg/l). El CA en poLvo se deposita en los filtros de arena y absorbe las impurezas del agua que producen olores y sabores desagradables. A mayor tiempo de filtración más eficiente es el CA en polvo.El CA granular, se usa en el caso de que los problemas de olor y sabor persistan después de usar el CA en polvo.

3. Sedimentación, coagulación-floculación y filtración

Se tratan de distintos procesos cuyo objetivo es la de las partículas sólidas presentes en el agua.

En el caso de la sedimentación estas partículas terminan por depositarse tras la modificación del caudal u otra propiedad de la corriente en la que circulan. Existen varios tipos de sedimentación.

Sedimentación de partículas discretas (tipo I): Se refiere a la sedimentación de partículas de baja concentración de sólidos en suspensión. La sedimentación es individual y no existe interacción entre partículas. Una aplicación es la eliminación de arenas del agua residual.

Sedimentación floculenta (tipo II): Se trata de una suspensión diluida de partículas que floculan durante el proceso de sedimentación. Al cohesionar las partículas aumentan la masa y sedimentan más rápido. Una de sus aplicaciones es la de eliminar una fracción de sólidos suspendidos en agua residual dentro de tanques de sedimentación primario.

Sedimentación retardada (tipo III): Tiene lugar en suspensiones de concentración intermedia en donde las fuerzas entre partículas son suficientes para entorpecer la

sedimentación de partículas vecinas. Se produce una interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa que sedimenta. Usada en tanques de sedimentación secundarios.

Sedimentación de compresión (tipo 4): Las partículas se encuentran concentradas formando una estructura y la sedimentación ocurre como consecuencia de la compresión de dicha estructura. Esta compresión ocurre por el peso de las partículas que se añaden a la estructura. Tiene lugar en las capas inferiores de una masa de fango espeso como ocurre al fondo de los decantadores secundarios

La sedimentación de partículas discretas tiene una serie de parámetro a considerar:

Velocidad límite de sedimentación (vt) Carga de superficie (v0)

La fórmula utilizada para la velocidad límite de sedimentación (vt) es:

Para Reynolds menor de 0.3 la ecuación utilizada será:

Dónde:

G es la gravedad; dp es el diámetro de partículas; p es la densidad de la partícula; f es la ρ ρdensidad del fluido; es la viscosidad.μ

También tendremos que conocer que es la fracción eliminada:

El proceso de floculación es precedido por la coagulación, que es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí. La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los sedimentadores.

Las ecuaciones propias de la floculación son:

Siendo

La filtración es el proceso unitario de separación de sólidos en suspensión en un líquido mediante un medio poroso, que retiene los sólidos y permite el pasaje del líquido. Podemos distinguir entre:

Filtros lentos de arena: Utilizados para obtener agua potable eliminando los sólidos en

suspensión con velocidad baja y regulada por un lecho de arena consistente en arena pura

con granos de ciertas dimensiones. Una particularidad es la formación de una capa de

superficie que contiene una actividad altamente biológica y que es esencial para el

funcionamiento del filtro.

Filtros rápidos: El agua pasa por una capa de arena con el objeto de eliminar partículas

remanentes. El filtro puede trabajar por gravedad o presión y es necesario invertirlo con

regularidad para eliminar las partículas retenidas.

Filtro mixto: el agua pasa a través de dos o más capas. La capa superior tiene gránulos más

grandes (baja densidad) y las siguientes capas con granos más pequeños (mas densidad) Uno de los parámetros de diseño más importantes del proceso es la caída de presión a través del lecho.

La ecuación de Rose se aplica a filtros estratificados u homogéneos con distribución de tamaños de partículas:

Si tenemos filtros es procesos de limpieza las ecuaciones utilizadas serán:

4. Desinfección de aguas.

La función principal de la desinfección es la eliminación de microorganismos no deseados en el agua a tratar. Estos microorganismos pueden afectar la salud humana y necesariamente deben ser eliminados si estamos produciendo agua potable. También pueden afectar equipos en los que el agua va a ser transformada y deben ser eliminados como forma de preservar dichos equipos y mantener la eficiencia de su operación

Los microorganismos más comunes que vamos a encontrar en aguas a tratar son: bacterias, virus, hongos y algas.

La velocidad de desaparición de los microorganismos patógenos seguirá una cinética basada en la Ley de Chick, siempre y cuando solo exista un concentración de desinfectante:

Siendo:

k la constante de velocidad con unidades de tiempo-1

N número de organismos remanentes (permanecen)

Para diferentes concentraciones de desinfectante, el comportamiento de la desinfección se puede expresar bajo la Ley de Watson donde

C es la concentración del desinfectante y tp es el tiempo que se requiere para lograr la muerte de una proporción determinada de microorganismos (generalmente se toma el 99 %). Ese valor constante nos lo darán siempre y variará según el tipo de microorganismo

Las principales propiedades que un desinfectante tiene que presentar para ser óptimo serán:

–Amplio rango de aplicación

–Insensible a fluctuaciones

–No tóxicos

–Baratos, fáciles y seguros de almacenar y aplicar

–La dosis debe ser fácilmente estimable

–En el agua debe de permanecer una cantidad residual de desinfectante

Sin embargo la eficacia de un desinfectante no es siempre la misma, puesto que esta variará considerablemente en función de algunas propiedades del agua tratada:

-Turbidez

-Temperatura

-PH

-Presencia de materias reducibles como NH4+

Existen tres agentes desinfectantes muy utilizados para la desinfección de aguas: la cloración (cloro gas, ClO2, hipoclorito sódico), ozonización y la radiación IV.

4.2. Cloración

El cloro gas se disuelve en agua, se hidroliza rápidamente para generar ácido hipocloroso y ácido clorhídrico.

En el caso de los hipocloritos, se produce la disociación de las sales según las siguientes reacciones:

Así pues, en cualquiera de los casos: cloro, hipoclorito sódico e hipoclorito cálcico, se acaba formando ácido hipocloroso, que es realmente la especie desinfectante. No obstante, éste se disocia según el siguiente equilibrio:

Antes de decidir la dosis de cloro que se ha de utilizar para desinfectar, se ha de determinar la demanda de cloro, es decir, la cantidad de cloro que se consume hasta la

aparición del cloro residual. En la siguiente figura se muestra como varía el cloro residual en función del cloro añadido para desinfectar.

Etapa I: Tiene lugar la oxidación de sustancias reductoras y todo el hipoclorito que se añade se consume. Como consecuencia no existirá cloro disponible.

Etapa II: Una vez destruidas estas sustancias, se inicia una segunda etapa en la que se formarían compuestos clorados, principalmente cloraminas, que actuarían como cloro residual, otorgando un cierto carácter desinfectante al sistema.

Etapa III: Cuando todo el amoniaco y las aminas orgánicas han reaccionado con el cloro, después del máximo de la curva, se inicia una etapa de destrucción de estos compuestos clorados formados en la etapa anterior. A pesar de añadir más cloro, no se observa un aumento de la cantidad de cloro disponible sino una disminución, ya que se consume tanto el cloro residual que se había formado, como el hipoclorito que se añade.

Etapa IV: Después del punto de ruptura (breakpoint), todo el cloro que se añade se mantiene como cloro libre. Así pues, se considera que a partir de este punto tanto la desinfección como la eliminación de materia orgánica oxidable por cloro se ha llevado a cabo y el agua tiene un cierto valor de cloro libre residual.

La demanda de cloro es la diferencia existente entre la cantidad de cloro aplicada al agua y la de cloro disponible libre. Así pues, podemos considerar que la demanda de cloro aproximadamente coincide con la dosis a la que se alcanza el punto de ruptura.