TRATAMIENTO FISICO-QUIMICO DE AGUAS 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 los contaminantes hasta alcanzar los valores máximos permisibles de acuerdo a las normas y estándares nacionales o internacionales. En virtud de la diversidad de contaminantes que se pueden presentar en las aguas residuales, el número de procesos existentes es también muy amplio, no obstante estos procesos se pueden agrupar de acuerdo al tipo de fenómeno o principio en el cual basan su operación. Una clasificación amplia en la que se puede agrupar los procesos de tratamientos, es aquella que está de acuerdo al tipo de fenómeno asociado: Ø Ø Ø Ø Ø
Físico Químico Bioquímico Físico-químico Enzimático
En este trabajo se presenta un análisis de los procesos físico-químicos utilizados en el tratamiento de soluciones coloidales, las cuales se presentan con frecuencia en muchas industrias 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 de partículas sólidas o líquidas en agua y que son difíciles de eliminar utilizando procedimientos como pueden ser gravedad, filtración y otros.
El tamaño de las partículas oscila entre 0.01 a 5 micras y son bastante estables de tal forma que pueden permanecer en dicha condición por bastante tiempo. Esta estabilidad se logra mediante un fenómeno físico-químico de cargas eléctricas entre las partículas dispersas y se explica de acuerdo a la teoría de doble capa conocida como Teoría DLVO (Derjaquin, Landau Verwery y Oberbeek). Prácticamente en la mayor parte de las industrias se pueden presentar este tipo de soluciones sobre todo cuando existen compuestos del tipo emulsificantes, los que favorecen la formación de soluciones coloidales que en el caso de ser de partículas líquidas se conocen como emulsiones.
COAGULACIÓN Y FLOCULACION. Desestabilización. El fenómeno mediante el cual se logra desestabilizar el coloide y su aglomeración posterior, es lo que se conoce como coagulación y floculación, de hecho es un proceso en dos etapas. En la primera etapa de coagulación se elimina la doble capa eléctrica que caracteriza a los coloides, y la floculación se da a continuación y consiste básicamente e la aglomeración de los coloides mediante la atracción de las partículas con el aglutinamiento que se logra por la presencia de sustancias conocidas como floculantes. La coagulación-floculación de los coloides se puede lograr mediante uno o varios de los siguientes mecanismos: Ø Ø Ø Ø
Compresión de la doble capa Neutralización de la carga Aglutinamiento Entrampamiento.
Mecanismos. Los mecanismos que se presentan en el tratamiento de aguas, son los tres últimos y normalmente 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 denominada coagulante y que puede ser algún polímero inorgánico u orgánico de naturaleza catiónica. Las cantidades que normalmente se requieren son bajas y un exceso de coagulante favorece para que la solución coloidal se haga más estable.
El aglutinamiento normalmente es un mecanismo que se desea realizar una vez que las cargas eléctricas hayan sido neutralizadas. Esto se puede lograr con la adición de un polímero que permita que los flóculos se vayan aglomerando. El entrampamiento es tal vez uno de los mecanismos más utilizados sobre todo cuando las soluciones son muy estables. Este se logra mediante la formación de un flóculo de algún hidróxido de aluminio o de fierro, bajo condiciones controladas de concentración y pH. 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 los coloides 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 un mezclado lento que favorezca una variación gradual del gradiente del flujo. Este último es el 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 de una solución coloidal son: • • • •
Mezclado Coagulación Floculación Separación
Cada una de estas operaciones tiene sus variables de diseño u operación definidas y para lograr un buen resultado, es necesario que las variables estén dentro de los límites que establece el proceso. Las dos primeras operaciones, mezclado – coagulación, se deben considerar como una sola, ya que después del mezclado se logra la coagulación. Las variables que intervienen y que hay que considerar para lograr una buena operación son: 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 inadecuado para el tratamiento de una solución coloidal. Una de las principales razones es que durante el proceso físico-químico se requiere de agitación y el aceite libre normalmente tiende 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 mediante medios 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 de iniciar el tratamiento. Como se ha señalado en el inciso anterior, una de las formas más comunes de efectuar la coagulación, es la utilización de sales de aluminio y/o fierro, para precipitar los hidróxidos correspondientes, siguiendo el mecanismo de entrampamiento. Esto ha sido motivo de muy diversos estudios en los cuales se ha determinado las condiciones bajo las cuales se logran formar los hidróxidos más estables en solución. En términos generales el pH es una de las variables más importantes y los valores deben de ser de alrededor de 5 – 7.5 para estos compuestos. Sólidos Suspendidos. Los sólidos suspendidos en la solución pueden ser en muchos casos un obstáculo para utilizar 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 más efectiva, por lo que se deberá considerar la opción de manejarlo con sólidos. En caso de ser atractiva esta situación, el sistema deberá diseñarse con equipo específico para el manejo de sólidos, el cual por lo general tiene un costo mayor. Para cualquier otra situación es necesario eliminar los sólidos mediante trampas de sólidos, separadores de placa, mallas, tambores con mallas o filtros.
Metales Pesados. En el caso de tenerse metales pesados, se deberán determinar las características de la solución 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 de tratamiento se deberá diseñar en torno a sus condiciones. Existen amplias referencias que señalan las condiciones de precipitación óptima de los metales, 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 con anterioridad 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 el agua residual. Para lograr esto y al mismo tiempo cumplir con el pH final, es necesario realizar un ajuste previo mediante la adición de ácido en caso de que la alcalinidad sea alta 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 la mezcla rápida requerida para llevar a cabo la coagulación. La selección del equipo estará en función del flujo del agua a tratar y la economía del sistema. Cuando el mezclado se realiza mediante un equipo convencional de tanque con agitación, el criterio para su dimensionamiento está en función del gradiente de velocidad requerido durante el mezclado, el cual se estima mediante la siguiente ecuación: G =
P/Vν
donde: G= Gradiente de velocidad P= Potencia del agitador V= Volumen del tanque ν= Viscosidad cinemática
Esta ecuación fue definida desde 1943 por Camp and Stein y se continúa utilizando como la mejor alternativa, habiéndose definido los valores requeridos para obtener una operación eficiente. Existe bastante información experimental y en manuales de diseño donde se dan valores recomendados 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 los Gradientes 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 cual las pequeñas partículas que se han formado durante la desestabilización de la solución aumentan 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 de contacto. Una agitación violenta destruirá los flóculos firmados en un principio por lo que la agitación se deberá mantener dentro de ciertos valores. Nuevamente una medida de la agitación está dado por el gradiente de velocidad G y los valores Gt han sido determinados por diversos investigadores. Los sistemas utilizados para efectuar la floculacón son esencialmente de dos tipos: • Hidráulicos • Mecánicos Hidráulicos Los sistemas hidráulicos mantienen, mediante un flujo por gravedad con variaciones en área y dirección, el gradiente de velocidad necesario para realizar la floculación. Entre los principales sistemas se encuentran los floculadores con mamparas de diversos diseños y camas empacadas. Mecánicos En estos sistemas el gradiente de velocidad requerido se proporciona mediante la agitación lenta que se realiza en el agua parcialmente tratada. El equipo utilizado es diversos, agitadores con aspas de dimensiones grandes, agitadores tipo rueda con paletas. Separación La separación de los sólidos que se han formado en el proceso coagulación-floculación, se logra mediante procesos convencionales o combinación de varios. Entre los principales están: Sedimentación por gravedad. Placas separadoras Filtros Centrífugas. El proceso de separación es también clave para lograr una buena operación por lo que requiere de un análisis detallado para seleccionar el sistema a utilizar dentro de una gama muy abundante.
EQUIPO INTEGRAL. En equipos que manejan flujos altos de agua, normalmente los componentes del sistema se 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 para equipos de aguas aceitosas, los sistemas de tratamiento se diseñan de forma integral y compacta. (Véase Diagrama de Flujo y Plano de Localización anexos.) Esto es prácticamente todos los componentes se integran en una sola unidad. Existen diversos equipos con estas características como son: Ø Equipos de flotación con aire disuelto. Ø Equipos de flotación inducida Ø 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 el procesamiento de soluciones con material disperso, entre sus principales aplicaciones ha sido la separación de aceite en aguas residuales. Una de las partes esenciales del equipo es el sistema de disolución de aire a presión y su desorción cuando se libera la presión en el tanque de flotación. Mediante este mecanismo el aire disuelto a presión (alrededor de 60 psig) se desorbe formando pequeñas microburbujas que sirven para formar los medios de la coagulación y las 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 del orden de 20-30 ppm. En el equipo de un sistema de flotación mediante aire inducido, el aire se introduce mediante eductores que se encuentran a la succión de las bombas y que se liberan en las cámaras de flotación. Normalmente se cuentan con tres o cuatro cámaras de flotación operando 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; a continuación presentamos cuatro casos de instalaciones en México. Mina de Arena. Agua residual con finos de arcilla formada durante el proceso hidroneumático de segregación de arenas en una mina. Objetivo: Recuperar el agua, mediante la separación de las partículas dispersas y evitar la descarga de aguas lodosas que pueden afectar poblaciones cercanas.
Tratamiento utilizado: Coagulación-Floculación utilizando polímero orgánico, el cual se inyecta en la línea con una tobera interna. La floculación se efectúa en tanques con bafles de orificios alternos. La separación final se efectúa con separador de placas. Características del agua: Capacidad (max.) separación.
Parámetro pH Sólidos Suspendidos mg/litro Sólidos totales mg/litro Turbiedad mg/litro
22,500 m3/día en cuatro trenes de
Entrada 6.2 55,900 57,590 14.4
Salida 6.2 58 1,748 6
Agua Residual de Industrias de Alimentos. Agua residual procedente de diversos procesos y aguas de lavado en una planta de producción 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 biológico secundario. Tratamiento utilizado: Coagulación-Floculación utilizando sulfato de aluminio como coagulante 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: Tiempo normal de operación:
3.6 m3 por hora. 8 horas.
Parámetro pH Grasas y Aceites mg/litro Sólidos Suspendidos mg/litro Sólidos totales mg/litro Parámetro Demanda Química de Oxígeno mg/litro SAAM mg/litro Los valores son Promedio.
Aguas Residuales Aceitosas.
Entrada 4.5 85.0 235.0 1944 Entrada 1520 9.2
Salida 7.0 22.3 22.0 1731 Salida 1080 2.3
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 biológico secundario 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 separación por gravedad y filtración. Características: Capacidad: Tiempo de procesamiento:
3 m3 por lote 3 horas
Parámetro pH Grasas y Aceites mg/litro Sólidos Suspendidos mg/litro Sólidos totales mg/litro Demanda Biológica de Oxígeno mg/litro SAAM mg/litro
Entrada 8.5 360 176 865 1230 6.5
Salida 7.0 32 28 717 795 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 y obtener un agua con compuestos nutrientes de menor demanda biológica de oxígeno que pudiera emplearse en riego o bien enviarse a tratamiento biológico secundario. Tratamiento utilizado: coagulante.
Coagulación-Floculación utilizando sulfato de aluminio como
El mezclado se hace mediante un mezclador estático, la floculación en tanques con agitación e inyección de aire, sedimentación y filtración con filtro de arena.
Características: Capacidad:
1.8 m3 por hora
Parámetro pH Sólidos Suspendidos mg/litro Demanda Biológica de Oxígeno mg/litro
Entrada 8.3 1540 12,210
Salida 7.2 35 2,100
CONCLUSIONES Existen un buen número de aguas residuales que se presentan en forma de soluciones coloidales. El tratamiento físico-químico que utiliza productos químicos para desestabilizar las soluciones, es un proceso efectivo. Mediante este proceso se eliminaron los contaminantes tóxicos y en algunas ocasiones se reduce 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 de agua 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 el tratamiento físico-químico de soluciones coloidales. La formación de este tipo de soluciones es muy común en diversas industrias, por lo que es 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 los mecanismos 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 y operación. Finalmente se presentan a manera ilustrativa, los datos reales de la operación de diversos sistemas de tratamiento físico-químico, en los cuales participa el autor en el diseño e inicio de operación.
