DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA (DTP) OBTENIDA

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA (DTP) OBTENIDA CON LA
APLICACIÓN DE PAX XL 60 Y SULFATO DE ALUMINIO
Alma Chávez Mejía y Blanca Jiménez Cisneros
Instituto de Ingeniería de la UNAM
Circuito Escolar S/N
56 22 33 43 y 56 22 33 42
[email protected]
Palabras clave
Coagulantes, Distribución del Tamaño de Partícula, Prueba de Jarras y Tratamiento Primario Avanzado
RESUMEN
El estudio compara la eficiencia de remoción de dos coagulantes comúnmente
empleados en el tratamiento primario avanzado que trata agua residual doméstica.
Cuando se aplica PAX XL 60 en dosis de 30 mg/L los SST se removieron de 350 hasta
37 mg/L (89.4%), la turbiedad de 292 hasta 39 mg/L (86.6%), la DQOt de 582 hasta 233
(60%), los huevos de helminto de 5.47 hasta 0.85 HH/L (84.4%), los CF de 2.4X109
hasta 3.0X107 NMP/100 mL, la salmonella de 7.1X106 hasta 2.84X106 NMP/100 mL
(60.6%) y el color de > 550 hasta 193 Pt-Co (> 65%) para alcanzar una calidad en el
efluente similar, fue necesario emplear 50 mg/L de Al2 (SO4)3 , dosis que permite que el
efluente contenga SST de 39 mg/L (88.8%), la turbiedad de 30 UTN (89.4%), la DQOt
de 218 mg/L (62.5%) los huevos de helminto de 0.65 HH/L (88.1%), los CF de 3.7X107
NMP/100 mL, la salmonella de 3.9X106 (45.3%) y el color de 182 Pt-Co (67%).
Respecto a la distribución del tamaño de partícula, DTP, el influente presentó un
contenido de partículas con tamaños que oscilaron entre 0.004 hasta 161 µm. La DTP
en el efluente fue dependiente del tipo y dosis de coagulante aplicado. Con 0.80 meq/L
como Al3+ se remueven partículas superiores a las 4.24 µm lo que garantiza que el
efluente presente una calidad constante debido a que todos los contaminantes con
grandes tamaños (supracoloidales y sedimentables) fueron sedimentados y por tanto
separados del sistema.
1
INTRODUCCIÓN
En el proceso fisicoquímico, la coagulación y la floculación son las etapas más
importantes del sistema, debido a que un buen manejo de ambas permite la formación
de las partículas, así como el incremento de su tamaño, y favorece que la
sedimentación se lleve al cabo con más rapidez; el tratamiento óptimo del agua residual
implica que cada una de estas etapas se desarrollen satisfactoriamente.
Entre los aspectos fundamentales para el buen funcionamiento de un tratamiento
fisicoquímico destaca la determinación del tiempo y gradiente aplicado en cada etapa
así como el tipo de coagulante y floculante aplicados. En este trabajo se analiza la
importancia del tipo y dosis de coagulante que se pueden aplicar en un sistema de
Tratamiento Primario Avanzado (TPA) simulado en prueba de jarras. El análisis se
realizó a partir del comportamiento de la distribución del tamaño de partícula (DTP), así
como de la calidad del agua obtenida durante su tratamiento.
ANTECEDENTES.
El tamaño de las impurezas del agua varía en cuatro órdenes de magnitud
aproximadamente (< 0.08 µm para sustancias disueltas, 0.08 hasta 1.0 µm para
coloidales, 1 hasta 100 µm para supracoloidales y > 100 µm para partículas
sedimentables, Heukelekian y Balmat, 1959; Richert y Hunter, 1971, y Levine et al.,
1991).
La mayoría de los contaminantes del agua residual son partículas sólidas o asociadas a
éstas, gran parte de las cuales se presentan en forma coloidal; de hecho, las partículas
suspendidas en el agua residual varían de 0.005 hasta 100 µm (Odegaard, 1979a). La
eliminación de una cantidad grande de los contaminantes contenidos en un agua
residual se lleva a cabo por sedimentación; sin embargo; debido a que estas impurezas
son demasiado pequeñas, para obtener un proceso de eliminación eficiente basado
sólo en la fuerza de la gravedad, se requiere llevar a cabo la agregación de las
partículas con la finalidad de incrementar el tamaño, modificar la distribución e
incrementar la velocidad de sedimentación, y de esta manera obtener
satisfactoriamente una separación del sólido-líquido.
La agregación de las partículas se puede lograr por medio de un tratamiento
fisicoquímico, pero es importante conocer en qué condiciones se lleva a cabo la mezcla
rápida, lenta y tiempo de contacto de éstas, la dosis y tipo de coagulante aplicado, así
como las características locales del agua residual que se pretende tratar (Ødegaard,
1995 y 1998; Liu, 1998, Licskó, 1997).
En el tratamiento fisicoquímico, la eficiencia de la coagulación y floculación ha sido
analizada mediante la medida de la turbiedad y los sólidos suspendidos totales, SST,
remanentes después de una sedimentación. Sin embargo, la medición del tamaño de
las partículas permite conocer de manera exacta y directa los cambios de la distribución
2
en cada una de las etapas que componen el proceso (Lawler, 1997 y Odergaard, 1998).
De hecho, el análisis del comportamiento del tamaño de la partícula y su distribución en
los diversos procesos es uno de los principales parámetros que se deben considerar
para el diseño de plantas de tratamiento (Odegaard, 1979a y 1998, Lawler y Willkes,
1984). La manera cómo las partículas se presenten en la suspensión controla algunas
propiedades físicas y químicas del agua (Lawler et al., 1984). Para evaluar la eficiencia
de un proceso fisico-químico, es necesario determinar en primer punto el tipo y la dosis
de coagulante que requiere el sistema, el cual es determinado a través de una serie de
prueba de jarras (Metcalf & Eddy, 1991). El objetivo primordial del tratamiento fisicoquímo es separar un mayor número de partículas supracoloidales y sedimentables que
aseguren que el efluente contenga partículas de tamaños pequeños (<10 µm) que
pueden eliminarse con mayor facilidad en las etapas posteriores. Por un lado, la
manera como se distribuyen en el efluente determina la calidad y la eficiencia del
proceso, y por el otro esta calidad define el diseño y control de otras etapas
complementarias (por ejemplo la filtración y desinfección) (Jiménez et al., 1999).
Se ha comprobado la importancia del la DTP como parámetro de control durante la
desinfección con UV, de hecho las partículas remanentes mayores a 7 µm tienen un
alto impacto sobre la eficiencia (Cairns et al., 1993). Por tanto es importante garantizar
que el agua tratada presente una distribución de tamaño de partícula específica en el
100% de los casos.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
El agua residual examinada provino de uno de los drenajes de la Ciudad de México por
donde circulan aproximadamente 35 m3/s, muestreando un total de 7 veces. De
acuerdo con Jiménez et al., 1997 y 1999 el agua se caracteriza por tener un alto
contenido de huevos del helminto (de 6 hasta 93 HH/L) y coliformes fecales (de 6.7X108
hasta 5.2X109 NMP/100 mL), organismos que tienen un gran impacto sobre la salud
pública, así como un elevado y variable contenido de sólidos suspendidos (de 60 hasta
1500 mg/L).
La dosis de coagulante se determinó en pruebas de jarras, donde se aplicaron en
paralelo sulfato de aluminio anhidro y PAX XL –60 (base seca) en dosis de 10, 20, 30,
40 y 50 mg/L y 1.0 mg/L de un polielectrólito aniónico de alto peso molecular (prosifloc
A-252). En cada prueba, se utilizó un testigo en el cual sólo se aplicaron los gradientes
sin aplicar ningún coagulante ni floculante.
Los gradientes empleados para simular cada etapa (coagulación, floculación y
sedimentación) se indican en la Tabla 1; en la Tabla 2 se muestran los parámetros
medidos, tanto en el afluente como en el efluente y en la Figura 1, se presenta el equipo
de jarras utilizado, se incluye la forma y dimensionamiento del vaso, así como el tipo de
paleta. Cada parámetro se determinó siguiendo la metodología establecida por los
Métodos Estandarizados, 1995. El cálculo del TDP se efectuó con un contador de
3
partículas (Coulter LS 230); se realizó el conteo por triplicado en cada uno de los
tratamientos.
Tabla 1. Condiciones de mezclado usadas en las pruebas de jarras1
Etapa
G s-1
336
23
0
RPM*
Coagulación
300
Floculación
50
Sedimentación
0
* RPM = Revoluciones por minuto
Tiempo
30 s
5 min
5 min
Tabla 2. Parámetros determinados en el afluente y efluente
Físicos
Químicos
Microbiológicos
SST, ST, SDT, pH, turbiedad, temperatura, potencial redox,
color real y aparente y distribución del tamaño de la partícula.
DQO total, alcalinidad.
Huevos de helminto, coliformes fecales y salmonella
Figura 1. Equipo para pruebas de jarras
1
Los G s-1 utilizados en la prueba fueron tomados de otro estudio donde de determinó el efecto del gradiente y el
tiempo de contacto en cada una de las etapas del proceso de TPA
4
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Durante la evaluación de la eficacia de los coagulantes, los SST presentes en el
efluente constituyeron uno de los parámetros considerados para cada dosis aplicada.
La Figura 2 muestra el efecto del tratamiento de acuerdo al tipo de coagulante utilizado.
La concentración del SST del agua residual cruda fue en promedio de 350 mg/L y se
considera que para que exista un buen desempeño en el proceso, 50 mg/L de sulfato
de aluminio anhidro se deben aplicar en el agua residual. En efecto, con esta condición,
los SST remanentes fluctuaron de 28 mg/L hasta 50 mg/L con un promedio de 39 mg/L.
por lo que el sistema alcanzó a remover un 88.8 por ciento del contaminante. Para el
caso del PAX XL- 60, para alcanzar una remoción de SST similar al determinado con el
otro coagulante es necesario utilizar 30 mg/L de PAX XL-60. Con estas condiciones, los
SST en el efluente presentaron una variación entre 26 mg/L hasta 54 mg/L con un
promedio de 37 mg/L, alcanzando una eficiencia de remoción en el sistema de 89.4 por
ciento. Con un aumento en la dosis, el incremento de la eficiencia del sistema no es
significativo (91 porciento cuando se aplican 50 mg/L de PAX XL-60).
1000
Prueba 1
Prueba 3
Prueba 5
Prueba 7
900
800
Prueba 2
Prueba 4
Prueba 6
600
500
y = -122 Ln(x) + 239
R2 = 0.94
400
y = -131Ln(x) + 235
R2 = 0.91
300
200
Al2(SO4)3, mg/L
50
40
30
20
0
A. cruda
50
40
30
20
0
0
100
A. cruda
SST, mg/L
700
PAX XL 60 (base seca), mg/L
Figura 2. Concentración de SST alcanzada con diversas dosis de sulfato de
aluminio anhidro y PAX-XL 60
La turbiedad, es un parámetro que nos muestra de una forma rápida y visual la
eficiencia del proceso. Al igual que con los SST, un incremento en la dosis de
5
coagulante permite un aumento de remoción de este parámetro. Con 50 mg/L de sulfato
de aluminio, se alcanzó en el efluente una turbiedad de 30 + 6.6 UTN mientras que con
30 mg/L de PAX XL-60 la turbiedad fue de 39 + 11 UTN (Tabla 3). La misma Tabla
muestra la calidad producida en el efluente con relación a otros indicadores de calidad y
bajo la dosis óptima económica determinada en los dos coagulantes probados. En el
caso de sulfato de aluminio (50 mg/L) se alcanzó una reducción de la DQOt del 62.5%,
84.4% para los huevos de helminto, 98.7% para los CF, 60.6% para la salmonella, 67%
para el color real y 53.6% para el color aparente, la remoción de STT fue de 45.0%
mientras que los SDT sólo se logró remover en un 6.6%. El agua de hecho, presenta un
gran contenido de otros compuestos disueltos los que se destaca el calcio, el magnesio
y el sodio reflejado en una conductividad alta del agua residual (1298 mS/cm).
Tabla 3. Remoción de contaminantes empleando 50 mg/L de Al2(SO 4) 3 (1) vs 30
mg/L de PAX XL 60 (2)
No. datos
Media
Parámetros
Inf
Efl
Inf
DQOt, mg/L
Turbiedad,
UTN
SST, mg/L
Huevos de
helminto, HH/L
Coliformes
fecales,
NMP/100 mL
Salmonellas,
NMP/100 mL
Color (R),
Pt-Co
Color (A),
Pt-Co
STT, mg/L
pH
Temperatura,
o
C
P. Redox
Conductividad,
mS/cm
SDT, mg/L
Alcalinidad,
CaCO3/L
7
7
7
7
582
292
Efl
(1)
218
30
6
4
7
4
350
5.5
39
37
0.85 0.65
306
0.5
7
7
2.3E9
3.0E7
7.7E7
7
7
7.1E6
2.8E6
7
7
> 550 182
7
7
6
7
7
6
7
7
1318 723
7.7 7.4
21.7 22.2
7
7
7
7
-64.1 -41.4 -43.7
1298 1211 1252
4
1
6
1
179
743
318
83
686
268
Efl
(2)
233
39
Desviación
Estandar
Inf
Efl
Efl
(1)
(2)
194 101 102
150 6.6
11
Mínimo
309
136
Efl
(1)
93
21
Efl
(2)
88
18
10
0.70
156
5.0
28
0.2
11
0.0
5.2E2
3.9E2 1.7E2
5.7E8
3.9E6
8.2E2
3.3E2 7.0E2
193
0
40
96
41
30.8
720
7.4
22
996
0.2
3.0
714
292
8
0.6
Inf
941
461
Efl
(1)
368
37
Efl
(2)
334
48
62.5
89.7
60.0
86.6
964
6
50
1.4
44
1.4
88.8
84.4
89.4
88.1
2.0E6
4.0E0 1.1E10 8.0E7
3.3E8
98.7
96.6
6.0E5
4.0E5
3.0E5
1.7E7 7.0R6 1.4E7
60.6
45.3
74
550
123
62
550
240
280
67.0
65.0
40
130
47
25
248
131
137
53.6
46.4
526 3114 1042 1020 45.0
7.2 8.0 7.9 7.8 ---19 26.6 23.5 23.3 ----
45.4
-------
227 215 107 498
0.2 0.202 7.5 7.2
1.50 1.50 16.8 19.1
15
0.3
18
0.2
15
31
269
228
212
(R ) = real; (A) aparente
6
η (en %)
Máximo
Inf
-79.3 -74.7 -72.6 -44.3 -13.4 -21.5
913 0.93 78 1623 1558 1575
488
318
464
268
492 1068 1004 984
292 318 268 292
(1)
(2)
6.7
---3.5
7.6
15.7
4.0
8.1
Cuando se aplica PAX-XL 60 (30 mg/L) la eficiencia de remoción de la DQOt fue del
60%, 88.1% para los huevos de helminto, 96.6% para coliformes fecales, 45.36% para
la salmonella, 65% en el color real y 46.4% para el color aparente, los STT se
removieron en un 43.5% mientras que para SDT en 4.0%.
Para el caso específico de los microorganismos, es necesario implementar etapas
posteriores a este tratamiento para que el efluente quede libre de ellos en el 100
porciento de los casos.
En la Figura 3 se presenta el comportamiento de la DTP del agua cruda y tratada con
los coagulante y diversas dosis. En el Infuente, la DTP varió entre 0.004 hasta 161 µm.
Cuando se aplica una agitación rápida seguida de una aplicación lenta se observa un
cambio en su distribución de acuerdo al tipo de coagulante y la dosis aplicada. En
efecto, con dosis de 30 mg/L de sulfato de aluminio las partículas remanentes se
presentan en 0.3% entre 0.04 hasta 0.1 µm, un 42% a partículas con tamaños de 0.1
hasta 1 µm, el 55.5% entre 1 hasta 10 µm y el 2.2% con tamaños de 10 hasta 20 µm.
Con la misma dosis pero empleando PAX XL 60 la DTP serán 2.7%, 48.7% y 48.6%
para los intervalos correspondientes, cabe aclarar que en este caso no fueron
detectados partículas con tamaños comprendidos entre 10 hasta 20 µm, infiriendo que
durante el tratamiento fueron eliminadas del sistema.
12
AGUA CRUDA
"Testigo (blanco)
11
20 mg/L Al2(SO4)3
20 mg/L PAX XL-60
10
30 mg/L Al2(SO4)3
30 mg/L de PAX XL-60
Porcentaje en volumen (en %)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0.01
0.1
1
10
100
distribucion del tamaño de las particulas (µm)
Figura 3. Distribución de la partícula de acuerdo al tipo de coagulante y la dosis aplicada
7
1000
Un análisis de la formulación de los coagulantes, permite definir la cantidad de dosis
requerida con base en el contenido de Al3+ que se adicionó. En la Tabla 4 se presenta
los miliequivalentes y mg/L de Al3+ aplicados y la calidad obtenida para cada caso, la
dosis óptima económica recomendada es de 0.8 meq/L (7.25 mg/L Al3+), con esta dosis
se remueven los SST hasta valores de 37 mg/L, la turbiedad de 39 mg/L y la DQOt de
233 mg/L. Con un incremento en la dosis no se presenta una remoción de estos
contaminantes de manera significativa.
Tabla 4. Reducción de contaminantes con base en el Al3+ empleado
Al3+
Al3 +
meq/L
mg/L
0.0
0.0
0.0
0.0
0.35
Coagulantes
Dosis de
coagulante
SST
Turbiedad
DQOt
Color (R)
Color (A)
STT
mg/L
mg/L
NTU
Mg/L
Pt-Co
Influente
0
350
292
582
550
179
1318
Testigo
0
325
219
428
550
169
1173
3.15
Al2 (SO4 )3
20
84
66
274
333
122
879
0.52
4.74
Al2 (SO4 )3
30
59
53
253
272
103
818
0.54
4.80
PAX XL–60
20
53
61
249
265
108
724
0.70
6.32
Al2 (SO4 )3
40
59
40
229
215
89
766
0.80
7.25
PAX XL–60
30
37
39
233
193
96
720
0.87
7.90
Al2 (SO4 )3
50
39
30
218
182
83
723
1.10
9.67
PAX XL–60
40
33
28
207
156
79
721
1.34
12.0
PAX XL–60
50
32
24
206
148
72
745
ppm
En la Tabla 5 se presentan los resultados de la DTP para el agua cruda y los diversos
tratamientos, observando con un incremento en la dosis de coagulante las partículas de
mayor tamaño han sido eliminadas y sólo partículas menores a las 4.2 µm permanecen
en el agua tratada. En efecto, con una dosis de 0.80 meq/L las partículas con un
tamaño mayor a las 4.2 µm fueron removidas del sistema, ante ello, la DTP permitió
determinar de forma eficiente las necesidades de dosificación en un sistema de TPA así
como la máxima capacidad de remoción de partículas que tiene el sistema y como se
observa en la Figura 5, con un incremento en la dosis superior a 0.8 meq/L, la DTP se
comporta de manera similar. Para tener un mejor conocimiento del sistema, es
necesario que estos resultados se correlacionen con el contenido de STT o de la
turbiedad que presente cada tratamiento.
8
Tabla 5 DTP en el influente y efluente tratado con diversas dosis de Al3+
Al 3 +
meq/L
mg/L Al 3 +
Influente
Testigo
0.35
0.52
0.54
0.70
0.80
0.87
1.11
1.34
0.0
0.0
3.15
4.74
4.80
6.32
7.25
7.90
9.67
12.0
Tamaño de
partículas
remanentes, µm
161
52.7
25.0
17.2
11.8
5.6
4.2
4.2
4.2
4.2
Porcentaje de
partículas
remanentes, %
100
52.6
50.6
47.2
43.4
50.0
59.3
44.6
43.6
42.6
Porcentaje de
partículas
removidas, %
0.0
47.4
49.4
52.7
56.6
50.0
40.7
55.4
56.4
57.4
1800
Influente
1600
Testigo
1400
0.35 meq/L Al3+
1200
0.52 meq/L Al 3+
0.70 meq/L Al 3+
800
Tamaño de partícula, µm
Figura 5 Comportamiento de la DTP con base en la dosis de Al3+ aplicado
9
147
122
101
83.9
69.6
57.8
47.9
39.8
33.0
27.4
22.7
18.9
15.7
13.0
8.9
10.8
7.4
6.2
5.1
4.2
3.5
2.9
2.4
2.0
1.7
1.4
1.1
0.95
0.79
0.66
0.55
0.45
0.38
0.31
0.21
0.18
0.15
0
0.12
1.34 meq/L Al 3+
0.10
200
0.08
1.1 meq/L Al 3+
0.07
400
0.06
0.87 meq/L Al 3+
0.05
600
0.26
0.80 meq/L Al 3+
0.04
STT, mg/L
0.54 meq/L Al 3+
1000
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
En un sistema de prueba de jarras permite seleccionar de una manera muy rápida el
tipo coagulante y la dosis que puede emplearse en un sistema de Tratamiento Primario
Avanzado.
La dosis de coagulante requerida en un AR doméstica dependerá del tipo de
coagulante que se quiera usar y de la calidad de agua que se pretenda tratar. En este
caso, el policloruro de aluminio (PAX XL-60) se encontró ser más eficiente que el
sulfato de aluminio si se compara la calidad obtenida en el efluente. Para el PAX XL-60,
30 mg/L fueron suficientes para producir un efluente con SST de 37 mg/L, 0.65 HH/L,
7.7X107 NMP/100 mL de los CF, 3.9X106 NMP/100 mL de Salmonella, una DQOt de
233 mg/L y una turbiedad de 39 UTN. Para el caso del aluminio esta calidad se alcanzó
con 50 mg/ de Al2(SO4)3 . En efecto, el efluente tendrá un contenido de 39 mg/L de
SST, 0.85 HH/L, 3.0X107 NMP/100 mL de los CF, 2.8X106 NMP/100 mL de Salmonella,
218 mg/L de DQOt y 30 UTN de turbiedad.
Durante el proceso de tratamiento primario avanzado, el conocimiento del cambio de la
distribución del tamaño de partícula permite determinar la capacidad máxima de
remoción de partículas que se espera en ella. En este caso el influente presentó un
tamaño de partículas comprendidas entre un intervalo de 0.04 hasta 161 µm, con un
TPA y bajo condiciones de dosis óptima (de acuerdo al tipo de coagulante aplicado) las
partículas formadas superiores a las 4.2 µm fueron eliminadas del sistema y sólo
permanecerán en el efluente partículas inferiores a este valor.
Un incremento de la dosis de coagulante incrementa la calidad del efluente, sin
embargo este incremento de calidad es mínimo de hecho, no existe un cambio
considerable en la distribución de las partículas.
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