CONVERSIÓN DE PROCESOS EN PLANTAS DE

"CONVERSIÓN DE PROCESOS EN PLANTAS DE FILTROS ABATIDORAS DE
ARSÉNICO PARA LOGRAR RESIDUALES MENORES A 0.01 MG/l"
José Antonio Granada Meneses
Aguas de Antofagasta S.A.
David Anibal Godoy Andrade
Aguas de Antofagasta S.A.
Walter Elias Cerda Acuña*
Aguas de Antofagasta S.A.
Profesión
: Ingeniero Civil Químico
Cargo Empresa : Administrador Planta de Filtros Cerro Topater
Destacados
: Premio Ingeniero Guillermo Cortes Leon, al mejor trabajo técnico presentado
XV Congreso de ingeniería Sanitaria y Ambiental AIDIS Chile 2003.
en el
Dirección postal del autor principal: Avda. Jose Miguel carrera 1701-Antofagasta-Chile
Teléfono: 56-55-341785 Fax: 56-55-341785 e-mail :[email protected]
RESUMEN
A comienzos de la década de 1970, la Empresa de Servicios Sanitarios de Antofagasta S.A. (ESSAN)
sensible ante las necesidades y exigencias de sus clientes- inició una serie de grandes esfuerzos para
mejorar la calidad del agua potable con que abastece a las ciudades de su territorio operacional en la
segunda región.
Este esfuerzo guarda relación con las concentraciones de arsénico, metaloide presente de forma
natural en las aguas crudas de los ríos superficiales y napas subterráneas que capta ESSAN para
suministrar el líquido en los domicilios de los habitantes nortinos.
En este trabajo se resumen los esfuerzos y logros conseguidos por la empresa de servicios sanitarios
de la segunda región, que se inician el año 1970 con la construcción de la Planta de Filtros Salar del
Carmen (en el sector norte de Antofagasta), la cual permitió cumplir la normativa de arsénico de esa
época (0,12 mg/L). Posteriormente, el año 1978, se construyo la Planta de Filtros Cerro Topater, para
abastecer a las ciudades de Calama y Tocopilla. Con mayores exigencias sanitarias y de acuerdo a la
Norma Chilena para Agua Potable 409 (of. 84, de 1984), que corrigió los valores de arsénico permitido
en el líquido, rebajando la concentración a sólo 0,05 mg/L, ESSAN habilita en 1988 una segunda
planta abatidora del metal pesado en Antofagasta, para asegurar que se diera estricto cumplimiento a
la ley y para proteger la salud de los clientes.
Los estudios y experiencias indicaban que dado los valores de arsénico en el agua cruda, el diseño de
las plantas abatidoras actualmente en servicio no podrían generar una disminución menor del
metaloide a 0.03 mg/L, a no ser que se optara por otras tecnologías (Osmosis inversa por ejemplo),
que harían antieconómica su aplicación o que produjera un alza en los costos de producción,
afectando por otra vía a los clientes.
Tras arduos trabajos, análisis, comparación de muestras y resultados, al cabo de 3 años los
profesionales y técnicos de ESSAN lograron que la concentración de este metal bajara al mínimo
propuesto de 0.01 mg/L, lo que sitúa nuestro producto -el agua potable- muy por debajo del límite
máximo permitido en Chile.
Palabras Claves: Arsénico, Antofagasta, Procesos, Calidad.
INTRODUCCIÓN
Producto de la lixiviación del terreno por donde escurren los cursos fluviales de los cuales se abastece
Aguas de Antofagasta S.A. para suministrar agua potable a la población, principalmente el río
Toconce, el agua es enriquecida con arsénico y llega a las captaciones de esta forma, lo que obliga a
nuestra empresa a disponer de una gran infraestructura y tecnologías del más alto nivel para
mantener este elemento dentro de la normativa vigente para no dañar la salud de los habitantes. Para
la producción de agua potable, Aguas de Antofagasta S.A. cuenta con:
3 captaciones superficiales ubicadas en la zona precordillerana, dos en el río Loa (Lequena y
Quinchamale) y una en el río Toconce (Toconce).
1 captación superficial ubicada en el río Loa (Puente Negro), pero situada en el límite del radio urbano
de la ciudad de Calama.
3 Plantas de tratamiento encargadas de purificar el agua de las captaciones superficiales. Una Planta
se ubica en la ciudad de Calama y dos se hallan en la ciudad de Antofagasta.
1 captación subterránea conformada por cinco sondajes en el sector de Agua Verde, ubicados a
aproximadamente 70 kilómetros de la ciudad de Taltal.
1 Planta de tratamiento que purifica el agua en la ciudad de Taltal.
PROCESO EN LAS PLANTAS
Cl
Estanque
de Ingreso
FeCl3
COAGULANTE PRIMARIO
Agua
Cruda
(Ingreso) =
0,45 ppm
FLOCULACIÓN
DECANTACIÓN
Coagulador
Coagulador
Coagulador
Agua
potable
(salida)
menor a
0,05 ppm
Filtros
FILTRACIÓN
Cl
FLUORURACIÓN
DESINFECCIÓN
F
Distribución
NCh 409
0,05 ppm
FIGURA 1: Proceso de Tratatamiento Plantas de Filtros Aguas de Antofagasta S.A.
OBJETIVOS
Producir agua potable con la mínima cantidad de Arsénico disuelto, de acuerdo con la recomendación
de la Organización Mundial de la Salud, y al menor costo. Estos objetivos se basan en el compromiso
que tiene nuestra empresa con la comunidad de la II Región de Chile, de manera de dar solución a un
problema social muy importante para la salud de la población.
METODOLOGÍA EMPLEADA EN EL ABATIMIENTO DE ARSÉNICO
Desde el año 1985 adelante, el contenido de Arsénico en el agua potable entregada al consumo de
los habitantes de las localidades urbanas, es igual o inferior a 0.05 mg/L, límite máximo establecido
por la Norma Chilena 409 Of 84, actualmente vigente.
El complejo Salar del Carmen abastece de agua potable a las ciudades de Antofagasta y Mejillones.
Una Planta similar a la Antigua del complejo Salar del Carmen, en funcionamiento desde 1978 y que
procesa la misma cantidad de mezcla de agua cruda abastece a las ciudades de Calama y Tocopilla.
La ciudad de Taltal se abastece con agua subterránea mediante cinco sondajes ubicados en Agua
Verde, distante 70 Km. de Taltal, la cual cuenta con una Planta de Filtros a presión con capacidad
para 32 L/s, que entra en operaciones en Octubre de 1998. El tratamiento que se realiza para remover
el arsénico es de tipo filtración directa con etapas e oxidación, adsorción y filtración. El proceso
consiste en que antes de ingresar al estanque de distribución se inyecta cloro en solución y cloruro
férrico para provocar la oxidación y formación de hidróxidos de hierro lo que permitirá la adsorción (
adherencia del arsénico a los hidróxidos generados) del arsénico para posteriormente pasar por
cuatro unidades de filtros compuestos por carbón activado y arena quedando el agua en condiciones
de ser distribuida sin necesidad de una pos cloración ya que el residual post filtrado es mayor a lo
establecido por la norma.
Las Plantas de Tratamiento convencional (Antofagasta y Calama), diseñadas por la firma Berkefeld
Filter de Alemania, tienen como principal objetivo disminuir los altos contenidos de arsénico de las
aguas crudas con que se nutre (0,15 a 0,90 mg/L). Para la remoción del arsénico, se aplican los
siguientes procesos:
1.Oxidación
2.Adsorción
3.Floculación
+3
+5
:Agregado de cloro, para oxidar As a As .
:Agregado de cloruro férrico para la adsorción del As.
:Formación y crecimiento de floculos (suspensión de hidróxido de hierro con arsénico
adsorbido).
4.Decantación :Eliminación de arsénico mediante la sedimentación de los flóculos de mayor tamaño.
5.Filtración
:Eliminación de arsénico mediante la filtración de los flóculos de menor tamaño y que
no pudieron eliminarse en la etapa de decantación.
ACTIVIDADES DESARROLLADAS: CAMBIOS EN LOS PROCESOS
Se comenzó la investigación, a nivel de laboratorio con la primera variable, el aumento de la
dosificación de coagulante, cloruro férrico, para determinar si era posible obtener los niveles de
concentración de arsénico deseados y a que costos. Estas pruebas dieron como resultado que una
dosis de 60 mg/L funcionaba bastante bien. Ahora había que reproducir estos resultados a nivel
industrial, con los consecuentes cambios operacionales asociados, ya que se produciría un aumento
del material de descarte. Así fue que poco a poco las variables operaciones fueron cambiando. El ciclo
de drenajes de los estanques coaguladores se aumentó al doble, de 3 a 6 drenajes diarios, por lo que
hubo que optimizar la recuperación de agua para no incrementar las pérdidas. Los lavados de los
filtros y pre- filtros disminuyeron, aumentando así las horas de las carreras de filtración, situación
favorable en la recuperación de aguas. El consumo de cloruro férrico aumentó de 1050 toneladas el
año 2000 a 1750 toneladas para el año 2003.
Los controles debieron extremarse, y se logró un importante avance con el mejoramiento de la
telemetría en plantas, un riguroso monitoreo de las etapas del proceso, lo que obligó a contar con
equipos de excelente respuesta de medición de concentración de arsénico, acompañado por un
programa de capacitación intenso.
Sin embargo los esfuerzos no terminaron, sino que se siguió investigando ahora con la premisa de
optimizar el logro conseguido, es así como en la Planta de Filtros Cerro Topater de Calama, se
desarrolló el proyecto de acidificación de agua, ya que un menor pH de ésta facilita las reacciones
electrostáticas de adsorción del arsénico. Los resultados fueron óptimos por lo que se instaló un
sistema de dosificación de ácido sulfúrico al agua cruda, bajando las dosis de cloruro férrico en forma
relevante. Este sistema será instalado el año 2004 en las Plantas de Filtros de Salar del Carmen en
Antofagasta.
En Taltal, desde la puesta en marcha de la planta el proceso ha sufrido diferentes cambios, tanto en
los productos coagulantes, material filtrante e infraestructura.
Como coagulante se ha utilizado cloruro férrico, poli-electrolitos y cal, como material filtrante carbón
activado y resina. Se ha aumentado las unidades de filtros de dos a cuatro y modificado su altura. La
dosificación y forma de agregar los productos químicos.
RESULTADOS
Considerando los últimos cuatro años, y el mejoramiento continuo de la calidad del agua se tiene el
siguiente resumen de concentraciones de Arsénico en las aguas de Antofagasta, Calama y Taltal; la
tabla muestra los importantes ahorros conseguidos con el desarrollo del proyecto de acidificación del
agua cruda :
TABLA 1: Arsénico en Agua Potable ciudades de Antofagasta y Calama
AÑO
As, en AGUA CRUDA As en AGUA POTABLE, (mg/L)
DOSIS DE FeCl3, mg/L
DE INGRESO, (mg/L)
Antofagasta
Calama
Antofagasta
Calama
2000
0.46
0.038
0.039
32.8
26,0
2001
0.48
0.028
0.023
35.1
31,4
2002
0.43
0.020
0.015
37.5
29,1
2003
0.46
0.008
0.006
56.1
40,5
El mejoramiento de la calidad del agua potable en cuanto a la concentración de Arsénico ha
significado un aumento paulatino de los costos de producción a través de los 3 años que se han
incrementado en 71, 34 % , correspondiente al aumento de 32,76 a 56,13 (mg/L) de cloruro férrico en
la Planta de Filtros Salar del Carmen de Antofagasta. En la Planta de Filtros Cerro Topater la dosis de
cloruro férrico ha sufrido un aumento de 26 a 40(mg/L), este menor aumento se explica por la
introducción de la dosificación de ácido sulfúrico en esta planta de tratamiento, proyecto que a partir
del año 2004 se implementara en la Planta de Filtros Salar del Carmen.
En las figuras siguientes, se aprecia la evolución del arsénico en los últimos años en la segunda
región.
0 .9
0 .8
0 .7
mg/L As
0 .6
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
br
e
A
En
O
ct
l
Ju
br
A
O
En
e
ct
l
Ju
br
A
O
En
e
ct
ul
J
A
En
e
br
0
M es
Figura 2 Concentración As Agua Ingreso 2000-2003
0.06
0.05
0.03
0.02
0.01
br
A
e
En
ct
O
l
Ju
br
A
e
En
ct
O
l
Ju
A
br
e
En
ct
O
Ju
l
br
A
En
e
0
Mes
Figura 3 Concentración As Agua Tratada PFCT 2000-2003
0 .0 4 5
0 .0 4
0 .0 3 5
0 .0 3
0 .0 2 5
0 .0 2
0 .0 1 5
0 .0 1
0 .0 0 5
M es
Figura 4: Concentración As Agua Tratada PFSC 2000-2003
br
A
e
En
ct
O
ul
J
br
A
e
En
ct
O
ul
J
br
A
e
En
ct
O
ul
J
br
A
e
0
En
mg/L As
mg/L As
0.04
0.07
mg/L
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
di
c
m
ar
di
c
m
ar
ju
n
se
p
p
se
ju
l
r
ab
e
t
en
oc
ju
l
en
ab
r
e
0
Mes
Figura 5: Concentración de As Taltal 2000-2003
Las figuras siguientes permiten visualizar el aumento en la dosificación de coagulante, de las cuales
se puede destacar la importancia del ácido sulfúrico al optimizar el consumo del coagulante.
70
Dosis FeCl3 (mg/L)
60
50
40
30
20
10
En
e
Ab
r
En
e
A
Ju
l
O
ct
Ab
r
En
e
Ju
l
O
ct
Ab
r
En
e
Ju
l
O
ct
Ab
r
En
e
0
Mes
Figura 6: Dosificación de FeCl3 PFSC 2000-2003
60
Dosis FeCl3 (mg/L)
50
40
30
20
10
Mes
Figura 7: Dosis FeCl3 PFCT 2000-2003
br
O
ct
Ju
l
br
A
En
e
O
ct
Ju
l
br
A
En
e
O
ct
Ju
l
br
A
En
e
0
OPTIMIZACIÓN DOSIFICACIÓN DE FeCl3
La disminución del arsénico del agua tratada de la segunda región, ha traído consigo un aumento
considerable del consumo de FeCl3, principal coagulante utilizado en las plantas de tratamiento. Para
disminuir el impacto de este aumento, en la planta de Calama se implemento la dosificación de ácido
sulfúrico, proyecto largamente estudiado en la empresa (Cerda et al., 1997).
El sistema de dosificación de ácido sulfúrico implementado en la PFCT consiste de las siguientes
instalaciones:
1. Sistema de descarga ácido sulfúrico, que cuenta con 2 mangerotes de 75 mm de diámetro interior.
El área cuenta con ducha de emergencia y la alimentación a los estanques de almacenamiento se
conduce en tubería de acero al carbón de 3”, dispuesta en canaletas a la vista.
1. Sistema de Almacenamiento.
Este sistema esta compuesto por dos estanques de acero al carbón y capacidad de 25,68 (m3) cada
uno. Los estanques están dispuestos en un dique de contención con capacidad de 75 (m3), y
tomando en cuenta la que la capacidad de carga de los estanques es de 30 (m3), se tiene una
capacidad del dique de 2,5 veces la capacidad de almacenamiento. Los estanques fueron construidos
de acuerdo a las normas NCh203, NCh213, NCh2136 y NCh2190 y las instalaciones fueron diseñadas
para resistir terremotos de acuerdo a la norma NCh433 of. 72.
Para posibles derrames de ácido se aplicaron los dos métodos conocidos, es decir confinamiento en
dique de contención y conducción de derrames.
Foto 1: Sistema Almacenamiento Ácido Sulfúrico
2. Sistema Dosificación
Este sistema cuenta con una caseta, en la cual se instalaron un estanque diario de acero inoxidable
de 400 (lts) de capacidad, un sistema de bombas dosificadoras automáticas, marca Seybert & Rahier
de 0 a 40(l/h) y 8 bar de presión. Como unidad de muestreo y análisis de pH se instalo una unidad
analizadora de pH modelo MFA pH, marca Wallace and Tiernan. El estanque diario esta dispuesto en
un pozo impermeabilizado para conducir posibles derrames al pozo de neutralización.
3. Sistema de Recepción Derrames
Para recibir los posibles derrames producidos en el dique de contención o en el pozo del estanque
diario, se cuenta con un pozo de neutralización impermeabilizado y con capacidad de 8 (m3).
Análisis del Ahorro de Costos
En la Tabla siguiente se resumen los consumos y los costos asociados al cloruro férrico con y sin
proyecto de ácido. En la columna del costo real se considera también el costo en ácido sulfúrico. Para
efectos de análisis, se tomo en cuenta que la dosis de la Planta de Filtros Salar del Carmen el año
2003 fue de 56,1(mg/L) y en la Planta de Filtros Cerro Topater fue de 40,5 (mg/L). Además la PFCT
dosifica un polielectrolito, que disminuye la dosis de FeCl3 en 5,6 (mg/L), por lo cual la disminución
real de la dosis de FeCl3 es de 10(mg/L) aproximadamente.
TABLA 2: Consumo y Costos FeCl3 con y sin H2SO4
Año
Consumo
2002
2003
Totales
472,3
264,5
736,8
FeCl3
(tons) Costo Proy. (MM$)
172,1
103,2
275,3
FeCl3 + H2SO4
(tons)
Costo Real
(MM$)
352,3
142,7
214,4
92,6
566,7
234,3
Consumo
De esta tabla se puede concluir que durante 17 meses de explotación del proyecto de ácido sulfúrico
se ha generado un ahorro de 41 (MM$).
CONCLUSIONES
Con el correr de los años se ha dado un importante paso en el mejoramiento continuo de la calidad del
agua potable en la segunda región, ratificando el compromiso con la comunidad y la consecuencia con
los valores corporativos de nuestra empresa a favor de sus clientes, a través del profesionalismo de
su personal y el esfuerzo decisivo en materia económica.
De vital importancia ha sido el trabajo interactivo entre las distintas áreas involucradas, que han
permitido llegar a buen término el proyecto. Un importante aspecto de mencionar es el contar con
equipos de medición de la concentración de Arsénico adecuados para responder a los cambios en
forma oportuna y eficiente.
Los costos han sido absorbidos sin traspasar estos importantes aumentos a la población. Estos
aumentos de costos en las plantas de tratamiento están siendo abordados con proyectos novedosos,
como la dosificación de ácido sulfúrico, para que el impacto en los resultados de la empresa sea
menor. No podemos dejar de mencionar que el gasto anual de producir agua con 0.01 mg/L ha
aumentado en un 71 %, comparado con la producción al 0.05 mg/L.
Sin duda que estos resultados nos sitúan como lideres mundiales en la solución de un problema
importante para las comunidades, debemos tomar en cuenta que otras regiones del planeta como
Argentina, Bangladesh, China, Estados Unidos y México aún no resuelven la problemática.
Este no ha sido un esfuerzo aislado de solucionar el problema del arsénico, sino que complementario
ya que recientemente entró en operaciones la Planta Desaladora, para proveer de agua de mejor
calidad y asegurar el abastecimiento para los futuros años de nuestra población.
Por ultimo podemos afirmar que "La producción de agua potable en el desierto es sólo un
desafío técnico y económico".