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. REFERENCIAS Cairns W. L (1993). Comparing Disinfection by Ultraviolet Light and Chlorination the Implications of Mechanism for Practice. Water Environmental Federation Specialty Conference. May 1993. Whippany, N. Y. pp 555-565. 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