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LA COAGULACION - FLOCULACION
EN EL PROCESO DE TRATAMIENTO INTRODUCCION ESCALA APROXIMADA DE DIAMETROS DE DIFERENTES PARTICULAS SOLUBLES O INSOLUBLES Los coloides generalmente son estables en solución al predominar los factores estabilizantes sobre los desestabilizantes , se entiende por estabilidad 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. Los factores estabilizantes son aquellas fuerzas que provocan repulsión entre las partículas como son las fuerzas electrostáticas y la propia hidratación. Los factores desestabilizantes son por el contrario las fuerzas de atracción que dan lugar a la unión, entre estas figuran el movimiento Browniano, las fuerzas de Van der Waals y tambien en menor grado las fuerzas de gravedad. La coagulación es por tanto el proceso de desestabilización de las partículas coloidales con objeto de anular o disminuir las fuerzas de repulsión . En cuanto al movimiento browniano se sabe que las partículas con diámetros del orden de 10 -3 mm o menores, en el seno del agua, se encuentran en un movimiento rápido, y desordenado. La energía para dicho movimiento se obtiene por las colisiones de las partículas con las moléculas de agua y por la temperatura del medio, este movimiento contribuye a la estabilidad, y al aglutinamiento de las partículas en agregados mayores. Para posibilitar las colisiones entre partículas es necesario establecer gradientes hidráulicos, recurriendo a la mezcla y agitación. 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 (que pueden describirse como una fuerza atómica cohesiva que existe entre todos los átomos, atrayendo cada uno a todos los demás) permitirán que las partículas se adhieran unas a otras, formándose una aglomeración progresiva de estas (floculación). La coagulación en el proceso de tratamiento del agua tiene por objeto preparar a las partículas dispersas en el agua (mediante la anulación de las cargas superficiales) para lograr posteriormente, mediante la floculación, otras partículas más voluminosas y pesadas que puedan ser separadas más fácilmente del agua.
La neutralización
de la carga eléctrica del
coloide, objeto de la coagulación ,se realiza aplicando al agua determinadas sales de aluminio o hierro
(coagulantes); generalmente se aplica sulfato de aluminio, de forma que los
cationes trivalentes de aluminio o hierro neutralizan las cargas eléctricas
negativas que suelen rodear a las partículas coloidales dispersas en el agua. La coagulación se consigue mediante una difusión rápida de las sustancias coagulantes en el agua objeto del tratamiento, empleando medios de agitación rápida. Tras la neutralización de las partículas coloidales, es decir una vez conseguida la desestabilización coloidal, las partículas formadas están en disposición de aglomerarse, esta aglomeración de las partículas descargadas, ayudadas ahora por una agitación lenta, es el objetivo de la floculación. La floculación esta relacionada con los fenómenos de transporte de las partículas dentro del liquido, que son los que ocasionan el contacto de las partículas coaguladas.
La coagulación y la floculación tienen lugar en sucesivas etapas, de forma que una vez desestabilizadas las partículas, la colisión entre ellas permita el crecimiento de los microflóculos, apenas visibles a simple vista, hasta formar mayores flóculos. Al observar el agua que rodea a los microflóculos, esta debería estar clara, si esto no ocurre, lo más probable, es que todas las cargas de las partículas no han sido neutralizadas y por tanto la coagulación no se ha completado, en este caso será necesario añadir más coagulante.(coagulante.jpe)
En la eficacia de la coagulación influyen
diversos factores entre los que
destaca el pH y otras características físico-químicas del agua, asi como una
adecuada energia de agitación rápida para conseguir una apropiada dispersión
del coagulante y proporcionar las necesarias colisiones entre las partículas
para conseguir una optima coagulación. A continuación de la etapa de coagulación tiene lugar un segundo proceso llamado floculación, este tiene lugar tras someter a los microflóculos a una agitación lenta que permite la unión de estos en agregados mayores o flóculos, visibles ya a simple vista y con la suficiente coesión y densidad para someterlos a la siguiente etapa de sedimentación. La floculación requiere un menor gradiente de agitación para impedir la rotura y disgregación de los flóculos ya formados. Los flóculos rotos son difíciles de retornar a su tamaño inicial. La floculación se ve mejorada con el empleo de coadyuvantes de esta,
conocidos como polielectrolítos, estos suelen se macromoléculas de polímeros
orgánicos (tipo poliacrilamidas).
Turbiedad y color.- La turbiedad y el color del agua son unos de los indicadores más importantes, junto con el sabor, de la calidad del agua potable. La turbiedad en el agua se debe principalmente a las partículas coloidales y a otras sustancias insolubles de mayor tamaño en suspensión tales como arcillas, minerales, plancton y otros microorganismos y materias orgánicas e inorgánicas finamente divididas. La densidad original de las partículas es cercana a 2,60. . Las partículas se presentan principalmente en estado coloidal y es necesario añadirles coagulantes químicos y someterlas a procesos de coagulación y floculación para incrementar su tamaño o densidad antes del proceso de sedimentación. Las partículas en suspensión de aguas tratadas con coagulantes, consisten en flóculos formados por óxidos metálicos (Al2O3 o Fe2O3), agua en 85 a 95% y turbiedad y/o color con densidades variables entre 1,002 cuando predomina el color y 1,03 cuando predomina la turbiedad. En procesos de ablandamiento los flóculos tienen densidades cercanas a 1,20. El diámetro de los flóculos es variable desde menos de 0,001 mm hasta más de 5 mm, dependiendo de las condiciones de mezcla y floculación (gradientes de velocidad y tiempo de retención). Willcomb clasifica los flóculos por su tamaño, tal como se indica en la tabla siguiente:
Índice de Willcomb para Caracterización de Flóculos
INDICE DESCRIPCION DEL INDICE DE WILLCOMB 0 Flóculo coloidal. Sin ninguna señal de aglutinación 2 Visible. Flóculo muy pequeño, casi imperceptible 4 Disperso. Flóculo bien formado, pero uniformemente distribuido (sedimenta muy lento) 6 Claro. Flóculo de tamaño relativamente grande, pero que precipita con lentitud 8 Bueno. Flóculo que se deposita fácil, pero no completamente 10 Excelente. Flóculo que se deposita completamente, dejando el agua cristalina.
En cuanto al color del agua suele ser de naturaleza orgánica pudiendo ser coloidal y también formando soluciones verdaderas, las principales sustancias causantes del color en el agua son las sustancias húmicas formadas principalmente por los ácidos fúlvicos y húmicos, también puede ser originado por diversas sustancias orgánicas más complejas. El color también puede deberse a hidróxidos metálicos tales como los de hierro y los de manganeso. COAGULACION - FLOCULACION El proceso de tratamiento del agua para su potabilización comprende diversas fases fundamentales que son, principalmente: la precloración, coagulación, floculación, decantación, filtración y desinfección. El comportamiento del agua ante cada una de estas fases o ante el conjunto de todas ellas difiere según las características del agua a tratar, o si el tratamiento se dirige a la producción y acondicionamiento del agua para usos industriales específicos, o bien el tratamiento se aplica sobre aguas residuales urbanas, industriales, etc., los procesos, aunque en algunas fases son bastante análogos, no pueden en cambio considerarse totalmente iguales. En lo que sigue nos vamos a referir al tratamiento para agua potable, aunque puede aplicarse también a otros tipos de tratamiento de aguas.
Una
de las fases principales en las instalaciones para el tratamiento del
agua, es la eliminación de suspensiones coloidales y partículas de
impurezas suspendidas en el agua. Las
operaciones mediante las cuales se facilita la sedimentación de estas
suspensiones y partículas para su posterior eliminación se conocen
con el nombre de coagulación y floculación. El control de la
coagulación y floculación, en una planta de tratamiento de agua, es
una de las fases más importantes y difíciles del proceso general. Para
llegar a un mejor conocimiento de las operaciones de coagulación y
floculación, creemos conveniente recordar previamente lo que se
conoce con el nombre de estado coloidal. En
primera aproximación, se pueden considerar como moléculas o partículas
coloidales aquéllas que tienen una dimensión comprendida entre 1 mµ
y 0,2 µ. Dentro de los sistemas coloidales, los que más nos interesa
conocer ahora son los sístemas dispersos, en los cuales hay dos fases
bien diferenciadas, la fase díspersa y el medio de díspersión. Entre
los tipos de dispersiones coloidales, el que va a ocupar nuestra
atención, al estudiar la coagulación, es aquel en que la fase
dispersa es un sólido y el medio de díspersión un líquido. Todas
las díspersiones coloidales tienen una característica común : su
gran relación área-volumen en las partículas dispersas; así, por
ejemplo, sabemos que un cubo de un cm de lado tiene una superficie de
6 cm2, y cuando se divide en cubos de 10-6 cm de
lado, que ya es un tamaño coloidal, entonces la superficie total para
la misma cantidad de materia es ahora 6 x 106 cm2. En
la interfase entre la fase dispersa y el medio de dispersión hay que
considerar propiedades superficiales muy importantes, tales como la
adsorción y los efectos de doble capa eléctrica. Los
sólidos que se encuentran en el agua, tales como arcilla, materias de
origen vegetal, algas y otras materias orgánicas e inorgánicas
presentan diferentes tamaños, que van, generalmente, desde las partículas
gruesas, que se depositan fácilmente , hasta las que por su pequeño
tamaño se encuentran en suspensión en estado coloidal Son
a estas ultimas partículas a las que hay que someter al proceso de
coagulación - floculación. Además
de las características que ya hemos indicado de las partículas
coloidales, de ofrecer una gran superficie total, mayor que la total
de otras partículas no coloidales del mismo peso, ofrecen otra muy
importante, consistente en que están provistas de carga eléctrica. La
carga eléctrica del mismo signo de las partículas coloidales
(generalmente en el agua las partículas de arcilla y otros coloides
tienen carga negativa) originan una repulsión entre ellas, impidiendo
así su unión y separación del líquido, de aquí la necesidad de
adicionar un electrolito que neutralice la carga eléctrica del
coloide para eliminarle por decantación.
La neutralización de las cargas eléctricas de los colóides en
suspensión en las aguas, es la condición primordial para una buena
depuración por coagulación y floculación, aun cuando en el fenómeno de
la coagulación-foculación influyen también otros factores muy
importantes. En el proceso de tratamiento del agua, la coagulación la definimos
como el resultado de la acción electroquímica producida en el agua por
la adición de los coagulantes químicos, con lo cual se reducen las
cargas eléctricas superficiales de las partículas coloidales, a la vez
que se forman hidróxidos complejos. Estas reacciones se producen
normalmente de un modo instantáneo, sin otro tiempo que el de la
mezcla de los reactivos con el agua. La floculación consiste en la reunión de los coágulos formados,
venciendo las fuerzas de repulsión y consiguiendo la precipitación de
los hidróxidos. Este proceso requiere un cierto período de tiempo. Al
poner en contacto las partículas coloidales con el electrolito, que
en nuestro caso son los coagulantes químicos, los iones de signo
opuesto al de la partícula coloidal, que quedan en exceso en la
disolución y que rodean ala partícula, forman con ésta una «doble
capa eléctrica». Parte de estos iones quedan fijados al sólido por
fuerzas electrostáticas de adsorción y los demás constituyen una
zona de difusión, hasta llegar a una distribución iónica uniforme
en el líquido. La diferencia de potencial de esta capa difusa se
conoce como «potencial electrocinético o potencial Z». La
mayor parte de las sustancias que se ponen en contacto con un medio
polar, como el agua, adquieren una carga eléctrica superficial por
ionización o adsorción de iones, o ambas cosas a la vez. En
un sistema en el que están dispersas moléculas o partículas
coloidales cargadas, ha de haber iones con carga contraria para que
exista una electroneutralidad, a estos iones se les llama
La teoría de la doble capa eléctrica se ocupa de la distribución de los co-iones y contra-iones en la proximidad de la superficie de una partícula que se encuentra en un medio polar y, como consecuencia, se ocupa, a la vez, de los potenciales eléctricos que existen en esta zona. Por una parte, los contra-iones tienden a unirse a la superficie de la partícula para neutralizar su carga, pero, por otra, la agitación térmica impide que se forme una doble capa eléctrica compacta, o sea que en las proximidades de la superficie de una partícula coloidal cargada hay un equilibrio entre las fuerzas eléctricas de atracción de contra-iones y repulsión de co-iones y la agitación térmica que tiende a producir una distribución de los contra-iones en el seno del líquido. Al haber un exceso de estos contra-iones próximos a la superficie de la partícula cargada, originan un apantallamiento que debilita la atracción electrostática hacia los contra-iones que se encuentran más alejados de ella y, por tanto, si se observa el potencial eléctrico, se notará que al principio disminuye rápidamente y después muy lentamente, al ir siendo mayor la distancia a la partícula, hasta llegar a un potencial teóricamente nulo, a la distancia infinita de la superficie de la partícula, donde ya la distribución de las cargas es es uniforme ( Fig.1-2), es decir, se crea una "doble capa" eléctrica difusa, debido al efecto combinado de las fuerzas eléctricas y la agitación térmica. Esta doble capa es llamada también de Gouy Chapman.
Fig.1-2 Sobre esta teoría , Stern consideró la posibilidad de que una adsorción iónica específica originára una capa compacta de contra-iones adheridos a la superficie por fuerzas electrostáticas y de Van der Waals, con la suficiente fuerza como para compensar la agitación térmica, considerando, en este caso, a la doble capa dividida en dos partes que están en equilibrio, una capa compacta (de Stern) en la cual el potencial disminuye de Y0 aYs y una capa difusa en la que el potencial disminuye de Ys a cero (Fig.1-2). Si se aumenta la concentración de electrolito, es decir, de los contra-iones, se aumenta también el apantallamiento, y, por tanto,la doble capa difusa se hace más compacta y el potencial cae más rápidamente . De igual modo influye el aumento de valencia de los contra-iones(Fig.3-4)
Fig. 3 -4 POTENCIAL Z
Posiblemente la superficie cargada lleva adherida una capa de agua de alrededor de una molécula de espesor, principalmente por interacción carga-dipolo. La superficie de cizalla se encuentra inmediatamente fuera de la capa de Stern y el potencial Z suele ser más pequeño en magnitud que Ys . Cuando se aumenta la concentración de electrolito, disminuye el potencial Z , ya que la mayor parte de la caída de potencial ocurre en la parte inmóvil de la doble capa. Cuando el potencial Z queda reducido a unos 10 -20 mV, es cuando los choques entre las partículas originan su unión, formando agregados mayores. Estos agregados se forman al vencer la tensión superficial la repulsión electrostática, que ya es muy pequeña. La coagulación en la practica tiene lugar a un potencial Z que es aún ligeramente negativo. En función de los iones que rodean a la párticula, el potencial Z disminuirá por dos circunstancias: a) Por cambiar la carga de los iones adheridos por otros de mayor valencia y b) Por compresión de la doble capa, hecho que puede ocurrir al aumentar la concentración del electrolito (coagulante), ya que al aumentar esta concentración de iones de signo contrario en la capa difusa, esta se comprimirá y disminuirán las fuerzas de repulsión y por tanto el potencial Z. A este respecto se puede señalar las conclusiones alcanzadas por Schultze y Hardy en el sentido de que la concentración de un ión cargado positivamente, que se requiere para reducir la carga superficial de una partícula ,es inversamente proporcional a la sexta potencia de la carga de los iones, es decir cuanto más alta sea la carga, más baja será la concentración requerida. La expresión de Schulze y Hardy es la siguiente. C= K / Z6 , siendo C= Concentración, Z= Carga, K= Constante. La expresión anterior es una regla teórica que solo nos indica la capacidad de neutralización de cargas de una partícula, en la practica hay que considerar también otros factores como el pH, la temperatura, etc. Sabemos que la electrofóresis es el movimiento de las partículas cargadas en el seno de un liquido cuando se aplica un gradiente de potencial. si la partícula colocada en un campo eléctrico no experimenta movimiento hacia el cátodo o ánodo, es porque el potencial Z vale cero, a este punto se le conoce con el nombre de "punto isoeléctrico" y es aquí, en este punto , donde se produce la mejor floculación, al evitarse el equilibrio de fuerzas que impiden que estas partículas coloidales continúen en suspensión. El
potencial Z de los coloides depende también de un factor muy importante, como
es el pH del agua. El pH óptimo de coagulación será el existente
cuando se
alcanza el punto isoeléctrico. potencial Z nos proporciona una importante información a cerca de la dosis de coagulante a emplear, para seleccionar un coagulante siguen siendo muy útiles los resultados que se obtienen mediante la prueba de jarras (jar-test).
Esquema del potencial Z
IMPORTANCIA DEL pH EN LA COAGULACION Usando
sulfato de alúmina como coagulante, podemos expresar la reacción de
ionización en el agua así : (SO4)3 Al3 ==== 2 Al+++ + 3 SO4= Al reaccionar los iones Al+++ con los iones hidróxilo, consecuencia de la alcalinidad del agua (bicarbonatos) o por la cal apagada o sosa añadidas si era insuficiente, se formará hidróxido de aluminio: (SO4}3
Al2 + 3 (CO3.H}2Ca ==== 2 Al (OH}3
+
3 SO4CA + 6 CO2 (SO4}3
Al2 + 3 Ca (OH}2 ==== 2 Al (OH}3 + 3
SO4Ca (SO4}3.
Al2 + 3 CO3Na2 +3H2O ====
2 Al (OH}3 +
3 SO4Na2 + 3 CO2 Para cada tipo de agua hay un pH óptimo de coagulación en el que la precipitación de hidróxido de aluminio es máxima Las anteriores reacciones son reversibles, y, por otra parte, si la dosis de álcali utilizado es insuficiente o excesiva, puede dar lugar a la formación de sales básicas o ácidas de aluminio (aluminatos) bastante complejas y, además, son solubles, motivo este por el cual el agua filtrada puede contener indicios de aluminio, mientras que el hidróxido de aluminio formado a un pH determinado no es soluble, por lo que difícilmente pasará a través
del filtro en la fase de
filtración, subsiguiente a la coagulación, floculación y
sedimentación. La coagulación depende de una serie de características físico-químicas del agua y muy especialmente del pH. Se sabe que para unas determinadas aguas hay una zona de pH en la que una dosis mínima de la sal de Al+++ origina una coagulación óptima, lo que dará lugar a la formación de un buen flóculo; se sabe que para un agua determinada, en la que se ha ido variando su pH inicial, se observa que para pH iniciales comprendidos entre 6,9 y 8,0, el pH óptimo de coagulación (potencial zeta = 0) se sitúa en la región de 6,7 a 6,9, mientras que también se ha observado que a medida que el pH inicial del agua se hace mayor, la dosis de coagulante requerida para la anulación del «potencial Z» también es mayor pudiendo deducirse que para los pH iniciales más elevados, una parte importante del sulfato de alúmina es empleada en la acidificación, por tanto , podría acidificarse previamente el agua, mediante ácidos y economizarse así parte del sulfato de alúmina.
Por otra parte, la
superdosis de sulfato de alúmina, con objeto de bajar el pH, puede, a la vez,
originar la formación de un abundante precipitado de hidróxido de aluminio,
menos denso que el flóculo formado en la neutralización de los coloides por
las cantidades requeridas de sulfato de alúmina y la acidificación previa si
es necesario.
La hidrólisis del sulfato de alúmina debe ser total, para
asegurarse que nada pase al agua filtrada. Siendo el pH de hidrólisis total
del sulfato de alúmina del orden de 6,5- 7,0, a pH inferiores o superiores,
puede quedar en solución y encontrarse por tanto en el agua filtrada. El pH es
el parámetro que más influye en la solubilidad del hidróxido de aluminio
formado en la hidrólisis de las sales de aluminio empleadas como
coagulantes.En el gráfico siguiente, fig.6, se representa el diagrama de las
concentraciones de varios monómeros complejos de hidróxido de aluminio en
equilibrio
De los anteriores conceptos se deduce que para
obtener una buena coagulación se debe trabajar a un pH comprendido entre
el de hidrólisis y el de coagulación, y, por otra parte, para que la
coagulación origine una buena floculación se deberá usar la menor dosis
posible de sulfato de alúmina. .
Vemos, pues, que estos tres factores de hidrólisis,
coagulación y floculación se deben controlar continuamente, podemos decir
entonces que de la naturaleza del agua dependerá el pH con el cual se
produce la mejor coagulación, y para que el agua filtrada contenga los
menores indicios posibles de Al+++ se deberá operar a un pH
comprendido en el de hidrólisis total.
Lógicamente, por la hidrólisis del sulfato de alúmina
el pH del agua disminuye, pudiendo llegar a ser agresiva, y entonces es
posible que sea necesario incorporar un reactivo que eleve este pH,
generalmente se suele utilizar hidróxido cálcico, esta elevación del pH se
debe realizar después de adicionado el coagulante, pues en, caso contrario
puede dar lugar a la disolución de algunas materias sólidas, generalmente
orgánicas, con lo que podrían escapar a la filtración y pasar al agua
filtrada.
También es posible que el pH óptimo para una buena
coagulación comunique al agua ya decantada un cierto carácter agresivo,
por lo que debemos aumentar, posteriormente, este pH.
Como la coagulación resulta de la neutralización de
las cargas eléctricas de los coloides y con sales de aluminio o de hierro
(por ejemplo sulfato de alúmina empleado como coagulante ), puede ocurrir
que si después de coagulada el agua, se eleva el pH, la carga eléctrica de
los hidróxidos se invierta, originándose una repulsión entre los
hidróxidos y los hidróxidos-coloides, al cargarse negativamente ambos, con
lo cual los flóculos formados se deshacen pasando todo a su primitivo
estado de coloide. Para evitar este inconveniente, el pH de un agua
coagulada no se debe elevar antes de haberle eliminado los flóculos. La dosis de coagulante depende por supuesto de la turbidez del agua y como ya se ha venido indicando del pH, pero no hay que olvidar que el rango o intervalo de pH está muy relacionado con la dosis de coagulante, así a mayor dosis de coagulante mayor será el intervalo de pH eficaz, mientras que el valor optimo de pH se mantiene practicamente constante, puede también considerarse también que cuanto menor sea la dosis de coagulante, la sensibilidad de los flóculos a los cambios de pH será mayor. Hay que tener presente que los coagulantes metálicos son muy sensibles al pH y a la alcalinidad, esto se aprecia en el siguiente gráfico de la fig.7, donde se comprueba igualmente que la turbidez de un agua coagulada con un determinado coagulante presenta un mínimo (en este caso para sulfato de aluminio el mínimo es ligeramente inferior a pH = 7).
La optima coagulación se ve influenciada por:
1) pH del agua que se somete a coagulación . 2) Duración de la dispersión del coagulante, ya que la hidrólisis del coagulante es muy rápida y formaría rapidamente complejos del metal, las especies iónicas deben estar uniformemente dispersas en el agua bruta entre 1 y 1,5 minutos después de incorporar el coagulante y así conseguir una efectiva coagulación antes de la floculación. 3) No incorpora a la vez y junto con el coagulante otros productos que reaccionen con él ya que se reduciría la efectividad del coagulante.
En la coagulación-floculación se están empleando
actualmente coadyuvantes para favorecer principalmente la floculación con
el sulfato de alúmina, al formar flóculos más cohesionados y densos.
El sulfato de alúmina da lugar, por hidrólisis, a un
precipitado de hidróxido de aluminio, que tiene una carga eléctrica
positiva ( en la zona de pH bajo al que se trabaja), que, como ya se
indica, neutraliza a las partículas de signo opuesto que existen en el
agua, pero al ser adsorbidas estas partículas del agua por el coagulante
suele quedar una carga eléctrica positiva residual en la superficie de los
agregados formados entre coagulante y partícula, que origina una repulsión
entre estos agregados (flóculos), que puede ser superior a las fuerzas de
cohesión, con lo cual se impide que la aglomeración continúe, en esta
situación juega un papel fundamental los polielectrolitos empleados como
coadyuvantes de la floculación. Los coadyuvantes de floculación son polimeros de alto peso molecular e incrementan el tamaño del flóculo y la velocida de sedimentación y filtrabilidad. Es muy importante el tiempo y punto de su aplicación, debiendo aplicarse una vez que los flóculos se han formado, en el caso del empleo de alumina como coagulante el tiempo suele ser unos 3 minutos después de la adición de la alumina.
Cuando el agua se trata únicamente con sulfato de alúmina, sólo se consume una parte del sulfato de alúmina para realizar la precipitación de color y de la materia coloidal, actuando el resto como floculante de una eficacia relativamente baja, formando un gel de hidróxido de aluminio que va englobando a los coagulos formados, originando una especie de coagulación de barrido (sweep coagulation). Esta masa o gel de hidróxido de aluminio es muy util al atrapar pequeñas partículas e incluso sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas. Por otra parte hay que procurar que la menor cantidad posible de aluminio o hierro, procedentes del coagulante queden en solución, para lograr esto, la coagulación-floculación debe tener lugar al pH para el cual tanto el aluminio como el hierro tengan el menor grado de solubilidad. El control del pH es muy importante si se emplea la coagulación de barrido. En el gráfico de la fig.8 se muestra el aluminio residual en función del pH a diferentes temperaturas, y en el de la fig.9, se presentan los resultados de un ensayo de coagulación en el que se determinó el contenido de aluminio residual del agua coagulada y filtrada por dos membranas de 0,05 y 0,45 µm, incluyendo tres rangos de aluminio, desde 0,02 mg./l. a 0,2 mg./l. y los pH a los que habría que operar para no sobrepasar estas concentraciones de aluminio, por ejemplo para encontrar 0,2 mg./l. el pH debería estar entre 5,5 y 7,4, mientras que para un aluminio residual de 0,05 se debería operar a un rango de pH entre 5,9 y 6,6.
El uso de los coadyuvantes de floculación permite
reducir la dosis de sulfato de alúmina hasta la cantidad suficiente para
eliminar la materia coloidal y el color, ya que el poder floculante del
coadyuvante es superior al del sulfato de alúmina.
En ensayos realizados con objeto de observar la
reducción en la turbiedad del agua, después de floculada y decantada, sin
el empleo de coadyuvante alguno y con el empleo de alguno de ellos, se ha
llegado a obtener una reducción en la turbiedad de hasta el 60 % más que
en los ensayos en que se empleó sólo sulfato de alúmina sin coadyuvante
alguno.
ALUMINIO RESIDUAL EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA La concentración en el agua tratada está regulada y limitada en las normativas de calidad la mayor parte de países, en la Comunidad Europea está limitado a 0,2 mg/l. este aluminio procede generalmente del sulfato de aluminio empleado en el proceso de coagulación. El ión aluminio y sus diversas especies hidrolizadas son generalmente eliminadas por precipitación del hidróxido de aluminio a un pH próximo al punto neutro. El aluminio residual en las aguas tratadas puede estar disuelto o formando partículas en suspensión, debido generalmente a no alcanzarse plenamente la solubilidad de equilibrio, también la presencia de este aluminio residual está influenciada por algunos compuestos disueltos como sulfatos, fluoruros, calcio, fosfatos y sustancias orgánicas complejas como los ácidos fúlvicos y húmicos. Para diferenciar el aluminio disuelto del particulado hay que someter la muestra a una filtración con membranas de diferente tamaño de poro, principalmente de 0,45 µm. Erbele y Palmer han comprobado que una gran parte del que se consideraba aluminio disuelto después de la filtración por membrana de 0,45 µm puede considerarse como no disuelto, siendo necesaria la ultrafiltración para diferenciar el aluminio disuelto y las partículas de aluminio. En el siguiente gráfico se muestran los resultados en ensayos de jar-test seguidos por filtración sobre membranas, apreciandose la presencia de considerables cantidades de pequeños coloides de hidróxidos de aluminio con tamaños de 0,05 a 0,45 µm. Los ensayos fueron realizados dentro de un estrecho margen de pH (7,13 - 7,29). Las partículas coloidales menores de 0,05 µm que puedan formarse, pasan las membranas si no se han agregado previamente, lo cual lleva a la necesidad de la ultrafiltración para la eliminación de estas pequeñas especies coloidales.
CONSIDERACIONES EN EL EMPLEO DE LA ALUMINA COMO COAGULANTE EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA El uso de alúmina como coagulante en el tratamiento del agua potable incrementa la concentración de aluminio en el agua. En un estudio realizado por la USEPA en 186 plantas de tratamiento se comprobó concentraciones de aluminio que variaron entre 0,01 a 2,37 mg/l. Aproximadamente el 11 % del aluminio incorporado, más el contenido en el agua bruta, permanece en el agua tratada. En general la turbiedad del agua tratada se incrementa, cuando aumentan los niveles de aluminio. Altos contenidos de aluminio total en el agua tratada coinciden con bajas relaciones alúmina /COD. Se ha comprobado que cuando el COD aumenta (relaciones alúmina /COD < 7), una insuficiente dosificación de alumina conduce a una coagulación incompleta, resultando una gran parte de materia coloidal formada por complejos orgánicos de aluminio en forma insoluble. Los fenómenos de coagulación con la alúmina se retrasan a bajas temperaturas al ser más lentas las reacciones de hidrólisis y por tanto más escasa la formación de flocs y a la vez pueden escaparse pequeños flóculos durante la filtración , incrementándose por tanto el aluminio total en el agua tratada. Las sustancias orgánicas disueltas a moderadas y elevadas concentraciones interfieren fuertemente en el proceso de coagulación con alúmina y sí la dosis de alúmina es baja, puede encontrase aluminio residual en forma de complejos orgánicos en el agua tratada. En algunas aguas se han encontrado unas relaciones críticas de Al+++ / COD < 20 m mol ̸ g.COD. Dada la relación que suele existir entre la turbiedad del agua tratada y el contenido de aluminio o bien la correlación existente entre el aluminio del agua tratada y el porcentaje de turbidez eliminada, se ha comprobado en muchos casos que para limitar el contenido de aluminio del agua tratada a 50 µg / l., al menos un 90 - 95 % de eliminación de turbidez debe ser conseguida. El aluminio es altamente soluble a pH alcalinos, debido a la formación del ión aluminato Al(OH)-4 la coagulación con alumina es un efectivo medio de eliminar materia orgánica, especialmente sustancias húmicas, que son precursores de la formación de subproductos de la desinfección. La coagulación preferentemente elimina la materia orgánica natural de más alto peso molecular, en este sentido son mejor eliminados los ácidos húmicos que los fúlvicos, no obstante suelen eliminarse más del 60% de la mayoría de precursores..
Está comprobado que el pH de coagulación tiene una
gran influencia en la eliminación de materia orgánica, mayor eliminación a pH <
7.
CINETICA DE LA FLOCULACION
La velocidad de floculaclón de una dispersión coloidal
o sol, depende de la frecuencia del choque de las partículas entre sí y de
la probabilidad de que su energía térmica sea lo suficientemente grande como
para superar a la energía potencial de repulsión para la floculación cuando
los encuentros entre las partículas tienen lugar .
La floculación ocurre mediante dos mecanismos: la
floculación ortocinética y pericinética a los cuales se ven sometidas las
partículas sometidas a la desestabilización, influyendo en gran medida el
tamaño de las partículas, así en las partículas pequeñas (menores de 1 mµ)
juega un papel más importante la floculación pericinética influida por
efecto térmico que da lugar al movimiento browniano que distribuye
uniformemente las partículas en la solución, y en el caso de partículas de
mayor tamaño tiene una gran importancia el gradiente de velocidad del
liquido(G), predominando la floculación ortocinética. En definitiva en el
fenómeno de la floculación el número de choques entre partículas es
proporcional a la concentración de estas, a su tamaño y al gradiente de
velocidad.
Considerando que no haya barrera de energía potencial y
que cada choque entre las partículas dé lugar a un contacto permanente,
Smoluchowski desarrolló una teoría de floculación rápida. Supone que la
floculación sólo está controlada por la difusión, en el caso de un sol
mono-disperso en que las partículas sean esféricas se tendrá:
n = no/(1 + 4p
. D . a . no . t)
donde n es el número de partículas por mililitro
al cabo de un tiempo de floculación t, n0 el número
inicial de partículas por mililitro, a, el radio efectivo de las
partículas y D, el coeficiente de difusión.
Conociendo el valor del coeficiente D, resulta posible,
por medio de la anterior ecuación, calcular, por ejemplo, el tiempo
necesario para que el número de partículas llegue a ser la mitad, un tercio,
etc., del número inicial de partículas.
Podemos actuar sobre el gradiente de velocidad G, en la floculación y de ahí
su importancia. Camp estimó el valor de G para varias plantas en Estados
Unidos y concluyó que su valor se mueve en el rango de 20 –74 seg-1. Se
considera un valor inferior de G ya que mientras mayor es G hay mayor
probabilidad de floculación y por otro lado se toma un valor superior debido
a que un valor muy grande de G puede generar ruptura de los flocs ya
formados por la acción de fuerzas de corte del líquido. Así cada tipo de
agua contiene un valor de G dependiendo del tipo de partículas contenidas en
ellas.
La cinética de la floculación se puede estudiar al
estabilizar la dispersión coloidal por medio de gelatina en un momento dado
y a ciertos intervalos de tiempo y contar entonces las partículas con la
ayuda de un ultramicroscopio.
En el caso de existir una barrera de energía potencial
de repulsión, sólo algunos de los choques entre las partículas darán lugar a
contactos permanentes, no pudiéndose, por tanto, aplicar las fórmulas
anteriores, es decir, la energía potencial retrasa la velocidad de
floculación.
Debido a la complejidad de las reacciones entre las
sustancias del agua y los reactivos añadidos, la influencia del pH,
temperatura, grado de agitación, etc., es difícil hallar la dosis de
reactivos exacta, necesaria para obtener una buena coagulación, aún cuando
se conozcan las sustancias presentes en el agua.
En la práctica, para conocer la dosis óptima de sulfato
de alúmina, hidróxido cálcico u otro reactivo, así como el pH óptimo, se
recurre a los ensayos de floculación en laboratorio, con los cuales, y
mediante tanteos, llegamos a conocer las dosis óptimas de reactivo, según el
período y grado de agitación escogido.
Para realizar estos ensayos de floculación, se utiliza
un floculador, que en esencia es un agitador formado por una serie de vasos,
en cada uno de los cuales se introduce una paleta agitadora, accionada por
un motor eléctrico, que comunica las mismas revoluciones a todas las
paletas. En los vasos, generalmente de un litro de capacidad, se introduce
el agua con los reactivos correspondientes. Para que los resultados de los
vasos sean comparables, la velocidad de rotación de cada paleta, como ya
hemos dicho, deberá ser igual. Las paletas deberán poder girar entre 20 y
200 rpm.
El modo de proceder es el siguiente :
-Se toma un litro de agua a ensayar en cada uno de los
vasos del agitador, habiéndose determinado previamente algunas de las
características más importantes del agua, tales como turbiedad, color, pH y
alguna otra que también interese, según el tratamiento al que posteriormente
se va a someter.
-Puesta en marcha la agitación, se van añadiendo a cada
vaso las dosis de los reactivos a emplear que, como primera aproximación, se
hayan escogido.
A mayor escala, dentro ya de la Estación de
Tratamiento, generalmente el coagulante se suele introducir antes que el
álcali, de igual modo que el cloro usado en precloración puede ser más
eficaz adicionándolo antes que el coagulante, de todas formas, los ensayos
de laboratorio son los que permiten ver el orden en la dosificación.
-La agitación se mantendrá durante 20 minutos, siendo
conveniente los dos primeros minutos agitar a la máxima velocidad y los
restantes, a la velocidad que se haya escogido, generalmente 50 r /m.
-Se anota el momento en que en cada vaso aparece el
primer flóculo visible, de igual modo, al final de la agitación se anota el
aspecto, cantidad y tamaño de los copos y cualquier observación que,
posteriormente, nos pueda servir para diferenciar un vaso de otro.
-Finalizada la agitación se dejan en reposo todos los
vasos un determinado tiempo, generalmente 10 minutos, para que sedimenten
los flóculos formados
Por último, se interpretan los resultados obtenidos, de
forma tal que las dosis de reactivos añadidos a la muestra en la cual la
reducción del color y turbiedad del agua decantada sea mayor, las
consideremos como las dosis óptimas.
Generalmente, estos ensayos deben realizarse
manteniendo constante, ya sea el p H, y variando las dosis de coagulante y
coadyuvante o a la inversa. También deben ensayarse diversos períodos y
velocidades de agitación.
En el cuadro siguiente resumimos los resultados de un
ensayo de coagulación-floculación en vaso, en el que el pH óptimo de
coagulación y la dosis
de coadyuvante polielectrolito se ha comprobado por ensayos anteriores de
tanteo, que eran 6, 9 y 0,1 respectivamente. Tratamos ahora de conocer la
dosis óptima mínima de coagulante y la del álcali.
A la vista del resultado visual y el análisis del agua
decantada, vemos que una dosis de 20 ppm es, en este caso, la más óptima
para 0,1 ppm de polielectrolito y un pH de coagulación de 6,9.
Las dosis de reactivos vienen dadas en ppm (partes de
millón), equivalente a mg de reactivo por litro de agua. La unidad de medida
usada para el color es la unidad AlIen.Hazen ( cloroplatinato
potásico-cloruro de cobalto) y la unidad de medida para la turbiedad la NTU
(Unidad Nefelométrica de Turbided).
VASO DOSIS (ppm) RESULTADO VISUAL AGUA DECANTADA SULFATO ALUMINA CAL POLIELEC TROLITO COLOR TURBIEDAD pH 1 2 3 4 5 8 12 16 20 24 0 2 4 6 8 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Mal Regular Bien Muy bien Regular 40 30 20 5 15 12 8 6 3 7 6.9 6,8 6,8 6,9 6,9 Observaciones.- Los
primeros flóculos aparecen a los tres minutos de agitación en el vaso Nº 3.En
el Nº 1apena hay floculación , y en el Nº 2 los flóculos son tan pequeños
que pueden considerarse microfloculos.
En la figura siguiente de representa el esquema de un agitador-floculador
de laboratorio con los vasos correspondientes, en los cuales hemos
representado lo que de una forma visual se ha obtenido en el ensayo que
anteriormente hemos expuesto
En el vaso nº 1, (de izquierda a derecha) para el que indicábamos que el
resultado de la floculación era "mal ", observamos cómo los flóculos son muy
pequeños y sedimentan muy difícilmente; en el nº 2, que indicábamos
floculación "regular", ya se ven flóculos algo mayores, aún cuando en la
parte superior los hay también pequeños; En el nº 3, floculación " bien ",
los flóculos son ya mayores y más densos, quedando en la parte superior, el
agua más clarificada; En nº 4, indicado como floculación " muy bien ", la
mayor cohesión y densidad de los flóculos, les hace aglomerarse en el fondo
del vaso, quedando más zona clarificada en la parte superior del vaso; en el
vaso nº 5, floculación " regular ", es bastante similar al nº 2.”
Para evaluar el tamaño del
flóculo en función de su tamaño, en mm, puede utilizarse el comparador ideado por al Water
Research Institute de Inglaterra, o también el Indice de Wilcomb descrito al
principio.
Comparador de WRA para evaluar el tamaño del floculo
Otro medio de conocer y controlar el proceso de coagulación, muy practico, es el del filtro piloto, consistente en tomar una muestra de agua, y siguiendo el mismo proceso de adición de reactivos que el de la propia planta, filtrar a continuación por un filtro piloto en las mismas condiciones, controlando diversas características del efluente, principalmente el color, la turbiedad y el contenido de aluminio. Para que las partículas que se encuentran en el agua y las del coagulante puedan reaccionar, será preciso que estén en contacto unas con otras, por lo tanto será necesaria una agitación del liquido para mantener este contacto. Esta agitación deberá ser rápida durante un breve período inicial para dispersar bien la coagulación y favorecer las reacciones de coagulación, y más lenta durante el período de floculación. El contacto entre las partículas se verá aumentado a medida que aumenta su concentración en el agua, con este objeto es conveniente que en el liquido se conserve una determinada cantidad de flóculos que anteriormente se han formado. Durante
la floculación la agitación deberá ser lo suficientemente lenta para no deshacer
los flóculos formados, dando entonces nuevamente lugar a una suspensión
coloidal. Las
instalaciones de floculación son actualmente muy variadas, abarcando desde
sencillos depósitos de floculación, con placas deflectoras, hasta las
instalaciones provistas de agitadores mecánicos de paletas, manteniéndose en
parte de estas instalaciones, el contacto entre las partículas formadas en
tratamientos anteriores y las que se están formando en cualquier momento.
Existen instalaciones en las que en una misma instalación se realiza la mezcla,
coagulación, floculación, sedimentación y eliminación de los precipitados, son
estos en general los floculadores-decantadores.
F.Ramírez Quirós
Polidacmas en el proceso de coagulación-floculación del agua. Sílice activada en la coagulación- floculación. Poliacrilamida empleada como ayudante de floculación. Nota en la que se expone el riesgo de la presencia del monómero de acrilamida al emplear poliacrilamidas tanto en el tratamiento del agua como en el tratamiento de los lodos y la subsiguiente recuperación del agua de estos. Información sobre Nitrosodimetilamina (NDMA). Extracción traducida de: Nitrosodimethylamine (NDMA) Information Published: 12/05/2007 | Updated: 05/28/2010 Published By: Water Quality Potencial Z como una herramienta para determinar la aglomeración de las párticulas en la reducción del volumen del lodo a disponer . Artículo de Luciano Sandoval y otros autores. Instituto Mexicano de Tecnológia del Agua. Recogido en las páginas de CEPI -OPS-OMS. Trata la relación del potencial Z con la neutralización de las cargas de las particulas coloidales , para llegar a una optima coagulación y generar la menor cantidad de lodo posible. Efectividad y mejora de la coagulación respecto a otras técnicas de tratamiento en la reducción de diversas materias orgánicas. Articulo ( en inglés) de S.D.Freese y otros, publicado por Umgeni Water y recogido por Water Science Technology. Se exponen los ensayos y resultados obtenidos sobre varias muestras de agua para comprobar la efectividad de una optima coagulación en relación con otras técnicas de tratamiento( Ozonización y filtración por carbón activo ), en la reducción tanto de precursores y formación de THM como de otros micropoluantes orgánicos del agua. Así mismo se comprobó la mayor efectividad de los coagulantes inorgánicos respecto a otros coagulantes poliméricos, en la eliminación de materia orgánica Experiencia en el uso de coagulante sintético polimérico, comparado con el coagulante inorgánico. Articulo, en inglés, de varios autores de Ugeni Water
NUEVO PROCESO
FÍSICO-QUÍMICO PARA LA POTABILIZACIÓN DE AGUA SIN LA UTILIZACIÓN DE
POLIACRILAMIDAS Acción de distintos coagulantes para la eliminación del cryptosporidium en el proceso de potabilización del agua. B. ABRAMOVICH1*, M.C. LURA2, E. CARRERA3, M.I. GILLI1, M.A. HAYE1, S. VAIRA3 - Revista Argentina de Microbiología (2004) 36: 92-96. PRODUCTOS QUÍMICOS UTILIZADOS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA DESTINADA AL CONSUMO HUMANO – SULFATO DE ALUMINIO. Norma europea (EN 878:2004) preparada por el Comité Técnico CEN/TC 164 "Suministro de agua" cuya Secretaría desempeña AFNOR. Aluminium as a risk factor in Alzheimer’s disease, with emphasis on drinking water . Trond Peder Flaten . Department of Chemistry, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.Uso de la Moringa oleifera como coagulante en la potabilización de las aguas. Iván Mendoza1, Nola Fernández2, Gretty Ettiene 3* y Altamira Díaz21 Departamento de Química, Ciclo Básico, Facultad de Ingeniería. 2Departamento de Ingeniería Sanitaria, Facultad de Ingeniería.. 3Laboratorio Ambiental, Instituto para la Conservación del Lago de Maracaibo (ICLAM).Maracaibo-Venezuela. Recibido: 02-12-98. Aceptado: 25-04-2000. Lorena del C. Fuentes S.*, Iván A. Mendoza S., Angela M. López M.,María F. Castro V., Carlos J. Urdaneta M.Programa Ingeniería, Universidad del Zulia, Núcleo Costa Oriental del Lago. Cabimas 4013, Venezuela. Virginie Rondeau, Daniel Commenges, Hélène Jacqmin-Gadda, and Jean-François DartiguesAmerican Journal of Epidemiology . Copyright © 2000 by The Johns Hopkins University School of Hygiene and Public Health. Am J Epidemiol Vol. 152, No. 1, 2000. PLANTA POTABILIZADORA PARA COMUNIDADES RURALES: OPTIMACIÓN DE LA COAGULACIÓNFLOCULACIÓN. Publicación de tierra.rediris.hidrored | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
