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INTRODUCCIÓN
A LA DEPURACIÓN
DE AGUAS
La enorme gama de
aplicaciones que posee el agua, así cono el aumento de
la demanda por consumo de ésta producido en las últimas
décadas por el desarrollo industrial y el crecimiento de
la población y de su calidad de vida, ha impuesto un
aprovechamiento máximo de los recursos hídricos de que
se dispone.
Los periodos de estío y
la existencia de amplias zonas con un bajo índice
pluviométrico propician toda una serie de esfuerzos y
exigencias por parte de las administraciones para
reutilizar y adecuar el agua a los diferentes usos que
de ella se hacen.
Este
problema tiene una creciente, aunque ya importante,
incidencia en nuestra industria. La necesidad de
acondicionar el agua para su uso en proceso (eliminación
de materia en suspensión, de ciertas sales
contaminantes, etc.), así como recircular ésta y reducir
el consumo real, y la exigencia de tratar los vertidos
son un hecho.
Esta necesidad, pues, de
hallar más y mejores soluciones a la amplia diversidad
de aguas, vertidos y lodos que deben ser tratados, ha
generado el desarrollo de una alta tecnología en este
campo: sistemas de tratamiento, maquinaria implicada,
control automático de plantas depuradoras, bacterias
para tratamientos biológicos, y productos coagulantes y
floculantes.
El diseño para conseguir
la clarificación de cualquier tipo de vertido, la
deshidratación de los lodos producidos, o la adecuación
de las aguas previa a su utilización, ha de ser
específico para cada situación, teniendo en cuenta las
características de las aguas, del proceso, la situación
geográfica, normativa en vigencia y/o calidad limite de
los parámetros necesarios para la utilización,
reutilización o vertido final.
Se presenta una breve
introducción al problema de la depuración de las aguas,
para determinar cuáles son las alternativas de
tratamiento más significativas y eficaces en la
depuración y/o acondicionamiento de la misma.
Para acondicionar y/o
depurar el agua, generalmente es preciso combinar
varios procesos elementales, cuyas bases pueden ser
físicas, químicas o biológicas y cuyo efecto es el de
eliminar en primer lugar las materias en suspensión,
después las sustancias coloidales, y finalmente las
sustancias disueltas (minerales u orgánicas). Por último
deben corregirse ciertas características.
En cada caso y
dependiendo de los objetivos que se pretenda alcanzar se
aplicarán diversos principios y técnicas.
ELIMINACION
DE SÓLIDOS EN
SUSPENSION
La eliminación de los
sólidos en suspensión implica esencialmente procesos
físicos que conducen a una casi cuantitativa separación
de fases. Básicamente, estos procesos son:
- Sedimentación:
Se aprovecha la fuerza de la gravedad y las diferencias
de densidad entre el medio y las partículas
suspendidas, para depositar en el fondo del tanque de
sedimentación los materiales sólidos que se hallan en
suspensión en el agua.
La velocidad de
sedimentación o de descenso es el parámetro fundamental
de este proceso y está afectado por numerosas variables
de diseño y de explotación.
Para mejorar el
rendimiento de esta operación suelen añadirse
previamente reactivos coagulantes y floculantes que
proporcionan una decantación más completa y más rápida.
- Flotación:
En este proceso se convierten los sólidos en suspensión
y algunas sustancias coloidales y/o
emulsionadas en materiales flotantes.
La flotación, ya sea
por presión o por vacío, se basa en el mismo fenómeno.
Este consiste en la adhesión (por absorción y/o
adsorción) de burbujas de aire sobre las partículas
sólidas, coloidales y emulsionadas que
existen, ya sea en su estado original o previamente
coaguladas y floculadas, para reducir así la densidad
aparente del conjunto y favorecer la ascensión de estos
materiales hasta la superficie del agua.
-
Rejillas: Este es un mecanismo puramente
físico, que consiste en la "filtración" de las aguas
para retener los sólidos bastos – gruesos, que ésta
arrastra. Los tamaños de las mallas varían
ostensiblemente, desde las más bastas de 1.7 mm, hasta
las más finas de 0.05 mm.
ELIMINACION
DE MATERIALES COLOIDALES
Un coloide se puede
definir como una partícula sólida mantenida en
suspensión a causa de su tamaño extremadamente pequeño
(entre 1 y 200 milimicras), de su gran relación
superficie/volumen, de su estado de hidratación, y de la
carga eléctrica superficial que presenta. Son
frecuentemente responsables del color, turbidez y DBO de
las aguas.
Efectivamente, para
explicar la estabilidad de las partículas coloidales
debe atenderse a diversos aspectos y han sido numerosas
las teorías propuestas. Por un lado los coloides poseen
el movimiento Browniano característico de las partículas
disueltas en un medio y las de propio medio (continuo de
choques entre todas ellas), que aunque aproxima
circunstancialmente partículas coloidales, no permite la
coagulación de éstas en una sola de mayor tamaño. El
contacto se limita a un intercambio de energía cinética.
El estado de hidratación
y la carga superficial que desarrollan los coloides
explican la estabilidad de estas dispersiones, donde
predomina el efecto electrostático de repulsión entre
las partículas, inhibiendo la coagulación espontánea.
Todo esto se pone de manifiesto en la escasa, casi nula,
velocidad de decantación natural de los materiales
coloidales.
Existen dos tipos de
coloides: hidrófobos e hidrófilos, cada uno con
características propias. Los coloides hidrófobos son
los más abundantes, no absorben agua y son muy sensibles
a la coagulación por acción de electrolitos: óxidos
metálicos, sulfuros, metales, tierras ... Los coloides
hidrófilos son mucho menos sensibles a la acción de
electrolitos, las interacciones con el agua son muy
fuertes y suelen proporcionar viscosidad a la
dispersión: Proteínas, Almidones, Gomas, Jabones... son
ejemplos de este tipo de coloides.
La gran mayoría de
coloides generan una carga superficial negativa (todos
los de origen natural y la mayoría de los que provienen
de la actividad industrial; los coloides producidos
artificialmente por coagulantes, normalmente hidróxidos
de hierro o de aluminio, están cargados positivamente y
son hidrófobos).
La
aplicación de un campo eléctrico a la dispersión permite
ver al microscopio el desplazamiento de las partículas
coloidales. La interpretación de los efectos
electrocinéticos y de la estabilidad en los sistemas
coloidales ha desembocado en la teoría de la doble capa
eléctrica; la más ampliamente aceptada actualmente en
este campo.
Según
esta teoría, se acepta primero la hipótesis de una doble
capa iónica en la interfaz sólido - líquido, y se
atribuye después una estructura definida a esta doble
capa. Se cree que el desarrollo de la carga eléctrica
superficial se debe principalmente a la adsorción
preferente de los iones H (+) o OH (-)
del medio dispersante. También tiene una
importancia relativa la ionización directa de algunos
grupos estructurales: Amino, Amido, Carboxílico, etc.
Una vez generada la
carga superficial en el coloide (negativa en la inmensa
mayoría de casos), son atraídos hacia la superficie los
iones positivos presentes en el medio y se produce una
orientación de las moléculas dipolares del agua.
La capa más próxima a la
superficie del coloide acompaña a éste en todo su
recorrido por el seno del agua. En puntos más alejados
de la superficie el ordenamiento electrostático es
menor, disminuyendo para distancias crecientes, y las
moléculas de agua o iones son móviles; ésta es la
llamada capa difusa.
Se da el nombre de
potencial zeta "Z" a la diferencia de potencial entre el
límite de la capa fija y el seno del líquido. Es un
potencial electrocinético, no el termodinámico "E". El
primero depende de este último y del espesor de la doble
capa. Su valor determina la magnitud de las fuerzas
electrostáticas de repulsión entre las partículas o lo
que es lo mismo, el grado de estabilidad de la
dispersión. Cuando mayor es Z más estable es el sistema
coloidal; cuanto menor y más cargado sea un coloide más
estable es éste. Este potencial es posible cuantificarlo
mediante un Zetámetro.
Todos los intentos de
eliminar los materiales coloidales del seno del agua se
dirigirán a estrechar el volumen de esta doble capa, lo
que es igual, a reducir el potencial Z hasta un valor
casi nulo. En estas condiciones se producirá la
coagulación de las partículas coloidales y su
eliminación será factible.
A efectos prácticos la
coagulación se lleva a cabo mediante adición de dos
tipos de electrolitos: Inorgánicos basados en sales de
Hiero o Aluminio y Orgánicos basados el polielectrolitos
de alta densidad de carga. Una agitación adecuada
mejorará el proceso, ahora espontáneo, de la
coagulación.
No obstante, podemos
encontrarnos con casos en que aún no se consiga
desestabilizar la dispersión coloidal. Las alternativas
son la adsorción (básicamente sobre carbón activo) o el
tratamiento biológico.
ELIMINACION
DE SÓLIDOS INORGANICOS DISUELTOS
Este
punto ha sido, hasta hace poco, objeto de escasa
atención por la consideración poco acertada de que los
sólidos disueltos de origen inorgánico son menos
contaminantes. Esto ya no es así actualmente y se conoce
bien la necesidad de limitar el vertido de estas
sustancias procedentes de las plantas depuradoras
(cloruros, fosfatos, nitratos, carbonatos, sulfatos,
metales, etc.).
Los métodos empleados
más comunes son: la evaporación, la diálisis, el
intercambio iónico, la ósmosis inversa y otros.
Es uno de los aspectos
más importantes cuando se piensa en cómo realizar la
depuración de un vertido. Por desgracia también es uno
de los objetivos más difíciles de conseguir.
Estos sólidos se oxidan
normalmente con gran rapidez por los microorganismos en
la corriente receptora del vertido, produciendo un
déficit en el oxígeno disuelto y los desagradables
efectos de una agua poco oxigenada.
Los
tratamientos, por lo tanto serán biológicos, aeróbicos o
anaerobios, presentan la dificultad del tiempo necesario
para completar la conversión, desde unas horas a varios
días, así como la necesidad de emplear una equipo
especial. Además, las bacterias, responsables de esta
degradación biológica controlada, son sensibles a
múltiples factores que afectan a su rendimiento: pH,
temperatura, presencia de sustancias tóxicas, oxígeno
disuelto, tipo de materia orgánica, alimento, etc. Como
se deduce de todo esto la explotación de unas
instalaciones de este tipo requiere grandes cuidados y
numerosos sistemas de control.
Los
métodos empleados son muchos, adaptados a cada tipo de
vertido y especificaciones. Algunos pueden ser: lagunas
de oxidación, tratamiento por lodos activados, aireación
por sistemas mecánicos, tratamiento aeróbico intenso,
lechos bacterianos, digestión anaerobia, etc.
COAGUALACION
Y FLOCULACION
Englobados
en ambos procesos se encuentran la eliminación de los
sólidos en suspensión (los más finos) y los materiales
que se encuentran en estado coloidal.
Entre los especialistas
en la depuración de vertidos suele reservarse el térmico
coagulación para denominar el fenómeno de la
desestabilización de las sustancias coloidales, y el de
floculación para la aglutinación de los coloides
descargados (desprovistos de su carga superficial
efectiva) en flóculos susceptibles de decantar con una
velocidad satisfactoria. A los reactivos
correspondientes se les denomina, respectivamente,
coagulantes y floculantes.
Los coagulantes que se
utilizan con más frecuencia son las sales de hierro
(sulfato ferroso, cloruro férrico), o de aluminio
(sulfato de alúmina, policloruro de alúmina).
Actualmente también se está desarrollando toda una
tecnología de productos coagulantes sintéticos que y
empieza a ofrecer buenos resultados en casos específicos
en los que las habituales sales inorgánicas han
fracasado.
En
realidad cualquier electrolito que se añada a la
dispersión coloidal, aunque sea indiferente a estas
partículas, es decir, que no afecte a su potencial Z,
crea un estado iónico mayor en el agua que conduce a una
disminución del espesor de la doble capa. Esto reduce la
distancia a la cual dos partículas se repelen de forma
efectiva y puede permitir la acción de otras fuerzas
coagulativas que sólo actúan a distancias muy cortas
(fuerzas de Van der Waals).
Los coagulantes nombrados
antes sí actúan sobre el potencial Z; en solución forman
especies cargadas positivamente que son absorbidas en la
superficie de los coloides y neutralizan su carga. Estos
complejos hidróxido - metálicos son característicos de
la química del hierro (II y III) y del aluminio, y
pueden considerarse como intermedios en la formación del
hidróxido correspondiente.
Existen, según algunos
autores, otros mecanismos de coagulación o
desestabilización de los coloides. Uno de ellos
consistiría en un "arrastre" de coloides efectuando por
un precipitado abundante y de gran superficie en su
movimiento en el medio dispersante y que, finalmente,
decanta. Otro es la posibilidad de que complejos
polinucleares de éstos y otros agentes coagulantes o
polímeros sintéticos actúen de puente de partículas
coloidales y favorezcan el proceso de floculación.
Un producto coagulante
suele presentar más de uno de estos mecanismos de
desestabilización de la dispersión coloidal. Para la
máxima eficacia de los coagulantes inorgánicos siempre
se prefiere que el pH de la dispersión quede dentro de
la zona correspondiente a la mínima solubilidad del ion
metálico implicado. Para las sales de aluminio, el
mínimo de iones AL3+ en solución corresponde
a un intervalo de pH 6 - 7.4; para las sales férricas,
el Fe3+ posee un margen más amplio de pH
donde su solubilidad es mínima (pH superior a 4); para
el ion ferroso Fe2+ el pH debe ser igual o
superior a 9.5.
Con las sales de hierro
suele trabajarse a pH fuertemente alcalinos para
permitir la máxima acción coagulante y asegurarnos
también de la eliminación cuantitativa de esto iones en
forma de hidróxido. Las aguas tratadas con este sistema
de coagulación deben después acondicionarse
(neutralizarse) antes de ser vertidas o reutilizadas.
Las aguas tratadas con sales de aluminio, en cambio,
quedan en valores de pH muy próximos a la neutralidad.
De lo dicho hasta ahora
se desprende importancia crucial del pH en el fenómeno
de la coagulación. Afecta a todos los equilibrios de
hidrólisis que poseen los coagulantes inorgánicos, pero
también lo hace de manera decisiva a los propios
coloides. Es así como una parte de la carga superficial
queda destruida, toda vez que se reduce la estabilidad
de la dispersión (la acidificación puede compensar la
adsorción preferente de grupos OH- por parte de los
coloides).
Una vez se ha conseguido
la desestabilización de los materiales en estado
coloidal, la fuerza repulsiva que mantenía alejada una
partícula de las demás desaparece. Estas partículas al
chocar y agregarse dando como resultado un tamaño y peso
de partícula mayor, una reducción de la relación
superficie/volumen, y una velocidad de sedimentación
superior. Este proceso es espontáneo, sin producir
agitación ni añadir otros reactivos, el movimiento
inherente de las partículas en el medio acuoso provoca
este fenómeno de coalescencia.
Si dotamos de una
agitación adecuada a la suspensión y añadimos un
producto floculante, éste hace de puente entre las
partículas suspendidas y permite que la aglomeración sea
mucho más rápida y que se alcancen tamaños de partículas
(flóculos) mayores. Esta es la etapa de floculación.
PREPARACION DE
DISOLUCIONES
Todos los
polielectrolitos floculantes deben prepararse en forma
de disolución diluida antes de dosificarse al agua o al
lodo que se pretende tratar. Los diferentes productos
floculantes, o incluso uno mismo, pueden presentarse en
más de un estado físico cuando se adquieren
comercialmente.
Los productos AQUIFLOC,
pueden encontrarse en estado sólido granulado, en
disolución acuosa, o en emulsión.
-
Productos granulados.
Para preparar
disoluciones de los polielectrolitos sólidos suele
emplearse el método siguiente: la cantidad de agua
necesaria para la disolución se agita vigorosamente
mediante un agitador apropiado; en estas condiciones se
añade el producto previamente pesado, de forma lenta
para evitar la formación de grumos, el nivel de
agitación se ha de mantener hasta conseguir la total
disolución del producto Es necesario esperar entre una
hora y dos horas, durante este tiempo el polielectrolito
desarrolla totalmente sus cadenas (se disuelve) y se
produce un gran aumento en la viscosidad de la
disolución. Ahora el producto ya esta preparado y listo
para su utilización.
En ningún caso se
prepararán disoluciones de concentración superior al
0,5%. La viscosidad que se alcanza y las dificultades de
agitación lo hacen aconsejable. A escala de
laboratorio la adición del floculante sobre el agua en
turbulencia se realiza desde un papelito el cual se
golpea levemente con cierta destreza, o humedeciendo
previamente con metanol. A escala industrial se
dispone de unos premezcladores tipo "Venturi" que ponen
en íntimo contacto cada una de las partículas con el
agua antes de llegar la masa principal de la
disolución.
Después pueden prepararse
diluciones hasta concentraciones del 0.05%-0.2% según
nos interese. Industrialmente suele ser recomendable
efectuar una dilución en línea del polielectrolito.
Especialmente cuando se trata de la deshidratación de
lodos.
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Productos en emulsión.
Como en el caso de los
productos sólidos se añaden sobre el agua en fuerte
agitación, ahora en forma de un fino chorro. El tiempo
de maduración suele ser inferior a los 30 minutos.
También como antes se ajustará la concentración final de
la disolución.
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Productos en disolución acuosa.
La preparación de
diluciones es mucho más sencilla, sólo es necesario
añadir el agua y agitar durante un tiempo prudencial (30
minutos deben ser suficientes).
Existen también productos
en disolución en medio disolvente o emulsión base
disolvente. En cualquier caso la metodología de la
preparación es muy parecida. La estabilidad de la
disolución es mayor cuanto más alta es su concentración.
Las disoluciones de concentración igual o superior al
0.2% preparadas con agua destilada y guardadas en
recipientes cerrados y opacos, pueden considerarse
estables durante una semana como mínimo.
Numerosos expertos en
este campo aconsejan calcular la concentración de las
disoluciones en función de la materia activa del
producto. Este es el criterio más científico de la
cuestión y atiende al propósito de evaluar
comparativamente la idoneidad de los diferentes
floculantes que se ensayarán.
Otro punto de vista es
aquel que sólo tiene en cuenta los efectos finales de
cada producto (el éxito de cada ensayo empleando uno y
otro polielectrolito) y el coste que esto representa. En
este caso se hablará de concentración del producto
comercial en lugar de materia activa. En la práctica
este criterio suele ser más útil ya que en numerosos
casos no podemos conocer con exactitud el contenido en
materia activa del producto. Además no hay ningún
inconveniente para alcanzar un óptimo rendimiento del
tratamiento (mejor relación resultados - coste).
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