EL SUMINISTRO Y TRATAMIENTO DEL AGUA

EL SUMINISTRO Y TRATAMIENTO DEL AGUA
EL SUMINISTRO Y TRATAMIENTO DEL AGUA
Introducción
El agua es uno de los elementos mas utilizados por la humanidad, tanto en la industria
como en el hogar. Quienes vivimos en ciudades tendemos a pensar que el suministro del
agua es ilimitado. Basta con abrir una canilla para que el agua esté ahí. Todo lo que
necesitamos es un suministro abundante, que nos permita cubrir nuestras necesidades
para beber, cocinar, bañarnos, lavar la ropa y muchos otros usos hogareños. El agua es por
lo general un producto relativamente fácil de obtener y barato.
En la industria, el agua es utilizada para numerosas aplicaciones. Algunas de estas
aplicaciones son: agua de alimentación de calderas, agua de incendio, agua industrial
(usos generales), agua potable, agua para circuitos de enfriamiento, agua para transporte
de sólidos, agua para lavados y limpieza, agua producto (agua que formará parte de
productos determinados, bebidas, etc.).
El agua químicamente pura (H2O) no existe. El agua es un gran disolvente que tiende a
disolver aquellas sustancias con las que está en contacto (aún el vidrio!). Por ello, en el
agua es posible encontrar sales y gases disueltos, materia orgánica, sólidos en
suspensión, arcillas, hierro, manganeso, microorganismos, etc.
Si bien gran parte del planeta está cubierto por agua, el agua de mar presenta el
inconveniente de su elevada salinidad, lo que la hace inapropiada para la mayoría de las
aplicaciones. El tratamiento de esta agua para permitir su uso en aplicaciones
industriales u hogareñas es normalmente muy caro, lo que restringe habitualmente su
utilización, excepto en aquellas regiones donde no existe otra fuente de suministro
(Arabia, Israel, Canarias, etc.). El agua considerada “dulce”, con salinidades que la hacen
apta para muchas aplicaciones, constituye tal vez menos del 4 % del agua del mundo.
Está concentrada en ríos, lagos, glaciares y acuíferos subterráneos.
El ciclo del agua
El ciclo del agua en la naturaleza puede explicarse en forma simple de la siguiente
manera: La evaporación del agua de ríos, lagos y mares constituye las nubes, que
finalmente ocasionan las lluvias. El agua de lluvia inicialmente es agua pura, que a lo
sumo puede contener algunos gases atmosféricos disueltos. Al comenzar la lluvia, esta
arrastra sustancias sólidas muy finas en suspensión en la atmósfera, limpiando la
misma. Parte de estas sustancias pueden ser problemáticas, como cuando la atmósfera
contiene ácidos provenientes del uso industrial, que son responsables de la llamada lluvia
ácida.
[01]
Al llegar al suelo, parte del agua corre sobre el mismo disolviendo parte de las sustancias
que constituyen el mismo. Esta agua que corre sobre el suelo se va agrupando en arroyos
y ríos, llegando finalmente al mar. Otra parte del agua se infiltra en el suelo y penetra
dentro del mismo, moviéndose a través de lo que llamamos napas. En esta infiltración
también se produce la disolución de las sustancias que constituyen el suelo. Las napas
no son “cavernas” como alguna gente piensa, sino capas de arenas rodeadas de roca,
donde el agua fluye lentamente entre los intersticios. El agua que se infiltra también pude
provenir de la nieve que se acumula en las montañas, que se licua y se infiltra.
Estas son las dos fuentes principales de agua dulce de que disponemos: las aguas
superficiales (ríos, lagos, arroyos) y las agua subterráneas. Las características de estas
aguas son distintas, lo que hace que a veces sea preferible utilizar una u otra.
Las aguas superficiales son normalmente de menor salinidad, con bajos contenidos de
sílice. El hierro o manganeso prácticamente no existen, pues han resultado oxidados y han
precipitado. Presentan normalmente un alto contenido de oxígeno (excepto en casos de
alta contaminación orgánica) y están saturadas en los gases atmosféricos. Han
arrastrado sólidos por lo que presentan sólidos en suspensión (arenillas, arcillas, limos,
etc.). También es posible encontrar materia orgánica, ácidos húmicos provenientes del
suelo, etc. Pueden presentar algún color, y son normalmente turbias.
Por el contrario, las agua subterráneas no presentan importantes contenidos de sólidos
en suspensión (la napa ha actuado como un gran filtro). Su salinidad y contenido de sílice
son habitualmente mas altos que en el caso de aguas superficiales, incluso a veces
extremadamente altos. El contenido de oxígeno es ínfimo, lo que permite la subsistencia
de algunas sustancias, como el hierro o el manganeso, en su forma reducida. En estos
casos, al entrar en contacto con la atmósfera, el oxígeno del aire provoca la oxidación de
estas sustancias con la consiguiente precipitación de los óxidos correspondientes. Esto
puede traer problemas en muchas aplicaciones por la coloración que le dan al agua y por
las manchas que pueden producir (en la industria textil esto puede ser dramático).
Contrariamente a las aguas superficiales, la materia orgánica y la actividad biológica suele
ser muy baja o nula, sobre todo en las napas profundas.
Es importante destacar que la napa freática, también llamada primera napa o napa
superficial, es susceptible de contaminación por todo aquello que pueda infiltrarse desde
la superficie. En zonas pobladas, donde abundan pozos ciegos (pozos negros), es posible
que esta napa resulte contaminada con materia orgánica, nitratos, y presente actividad
biológica. También en algunas zonas donde la agricultura es intensiva, con mucha
aplicación de fertilizantes, es posible que esta napa presente niveles de nitratos altos.
Esta napa no debería utilizarse en lo posible.
Los problemas mencionados en el punto anterior prácticamente no existen en las napas
profundas, por lo que estas son las que se deberían utilizar para el suministro de agua,
tanto industrial como potable. En zonas pobladas, es importante la calidad del pozo (un
buen encamisado) que impida toda posibilidad de contaminación de una napa profunda
con agua proveniente de la napa freática.
[02]
Que agua utilizar: Superficial o profunda?
Cuando el agua está destinada a usos industriales generales, o como agua potable, la
utilización de aguas subterráneas provenientes de napas profundas es por lo general la
solución más simple. En efecto, prácticamente todo lo que se requiere es el pozo y la
bomba. El agua puede utilizarse sin ningún otro tipo de tratamiento, y así se hace en la
mayoría de los casos. Cuando el destino es agua potable en poblaciones pequeñas, es
posible que se incluya una desinfección con el agregado de cloro, mas por razones de
seguridad que por necesidad real. Esto es así en la mayoría de los casos, donde la
salinidad del agua está dentro del rango aceptable para uso humano. Existen, sin
embargo, algunas zonas donde el agua subterránea contiene salinidades por encima de
los valores aceptables, o presencia de algunos elementos como el arsénico, que obligan a
incluir algún otro tratamiento adicional.
La utilización de aguas superficiales implica la necesidad de algunos tratamientos
destinados a eliminar sólidos en suspensión, turbiedad, materia orgánica,
microorganismos, etc. Esto implica la necesidad de una planta con una cierta
complejidad. La ventaja puede de la utilización de aguas superficiales está en la menor
salinidad (esto incluye una menor dureza) y en menores costos de operación, ya que el
costo principal del tratamiento es el bombeo del agua, que resulta elevado en el caso de
aguas subterráneas, donde la profundidad de bombeo puede estar en el orden de los 50 a
100 metros.
En resumen, cuando la calidad del agua subterránea es buena (no se requieren
tratamiento de acondicionamiento químico de la misma), en el caso de consumos no muy
elevados conviene utilizar aguas subterráneas, pues si bien el costo de operación es
mayor, prácticamente no hay inversión al no requerirse una planta (solo el pozo).
Contrariamente, con consumos mayores, donde el costo de operación pesa, el costo de la
planta de tratamiento para aguas superficiales puede ser amortizado en un plazo
razonable con el menor costo de operación.
Problemas que ocasionan algunos elementos presentes en el agua
Dureza. Con este nombre se conocen las sales de calcio y magnesio. Las sales de hierro o
manganeso también podrían se consideradas como “dureza”, pero su concentración las
hace despreciables frente a las de calcio y magnesio.
La dureza presenta dos características destacables: a nivel hogareño es conocido el efecto
de la dureza sobre el jabón. En efecto, la dureza reacciona con el jabón produciendo una
especie de cuajada gomosa, lo que es claramente inconveniente. El jabón no produce
espuma, excepto que se utilice una cantidad fija de agua y tanto jabón como sea
necesario para que consuma el exceso de dureza. Esto hace que sea trabajoso el lavado,
tanto de la ropa como el baño personal. La sensación al tacto es que el jabón desaparece
[03]
rápidamente de la piel, dejándola áspera. El cabello es difícil de lavar, quedando
normalmente duro.
El los recipientes que contienen el agua (lavatorios, etc.), queda un anillo de depósitos de
dureza que tienden a ser confundidos con suciedad. Mancha los accesorios (canillas,
ducha, etc.), se adhiere a las roscas de las cañerías haciendo que estas deban ser
reemplazadas más rápido que lo esperable normalmente.
Cuando el agua es calentada, los bicarbonatos se descomponen y se transforman en
carbonatos y CO2. El carbonato de calcio es insoluble y precipita sobre las superficies de
calefacción causando incrustaciones (sarro). Este proceso se inicia alrededor de los 55
ºC y se acelera con la temperatura, hasta ser total a los 100 ºC. El sarro tapa las
serpentinas de los calefones y los tubos de las calderas. En este último caso otras sales
de calcio y magnesio, como los sulfatos, al concentrarse en el agua de la caldera,
precipitan del mismo modo con efectos similares. El sarro o incrustación en los tubos de
calefacción, aparte de disminuir su sección interior, constituyen un aislante térmico que
provoca una mayor temperatura en el metal del tubo o serpentina para mantener la misma
capacidad de generación o potencia térmica. Esto termina por provocar la falla del material
por la temperatura elevada a la que se llega. Por ello, en el agua de alimentación para
calderas, el tratamiento mínimo es un ablandamiento (eliminación de la dureza).
Hierro. El agua subterránea puede contener pequeñas cantidades de hierro. El hierro, aún
en cantidades tan pequeñas como 0,3 ppm, produce manchas rojizas en los accesorios
(canillas) y le confiere al agua un gusto “metálico”.
El hierro aparece como bicarbonato ferroso, que es soluble e incoloro. Pero en contacto
con el aire, el hierro se oxida con formación de hidróxido férrico insoluble, que precipita, y
CO 2 que se libera. También puede aparecer como consecuencia de la corrosión de
cañerías de acero.
Manganeso. Poco frecuente, produce efectos similares al del hierro, dando una coloración
negra.
Salinidad. Nos referimos a sales solubles, tales como cloruros, sulfatos y bicarbonatos de
sodio y potasio. Estas sales no ocasionan problemas particulares, salvo que sus
concentraciones sean muy elevadas. Para uso humano existen límites a las
concentraciones de estos elementos, incluidos en reglamentaciones nacionales e
internacionales. Estos límites se incluyen mas adelante.
Sílice. Normalmente no existen problemas con la sílice para el uso humano, pero en las
calderas es un elemento problemático. Parte de la sílice pasa al vapor y provoca serios
problemas de erosión en los alabes de las turbinas.
Materia orgánica. Aparte de indicar contaminación, la materia orgánica puede conferirle al
agua gustos y olores desagradables. Estos provienen de la descomposición de restos
principalmente vegetales. La presencia de algas es un problema estacional, que a veces
[04]
es combatido mediante la cloración del agua. El proceso de cloración libera ciertos
compuestos que son los responsables de conferirle al agua gustos y olores desagradables.
Gases disueltos. Los gases comúnmente encontrados son el oxígeno y el CO 2.
Eventualmente el SH2. El oxígeno prácticamente no existe en aguas subterráneas, pero sí
en aguas superficiales. Su presencia no es problema para el uso humano, pero es
corrosivo cuando el agua se calienta, como en las calderas. El CO 2 se encuentra en mayor
concentración en las aguas subterráneas que en las superficiales, excepto cuando hay
contaminación industrial. La presencia de SH 2, aún en pequeñas cantidades, le confiere
al agua el clásico olor a “huevo podrido”. Puede resultar corrosivo, pero no peligroso a
nivel humano, al menos en las concentraciones a las que se lo puede encontrar.
Sólidos en suspensión. Su presencia le confiere al agua un aspecto sucio. Los sólidos en
suspensión pueden ser arenillas, arcillas, limo, algas, hierro precipitado, etc.
Descontamos la eventual presencia de sólidos en suspensión grandes, tales como ramas,
troncos, botellas, etc. Estos últimos son retenidos en rejas y/o tamices a la entrada de las
plantas de tratamiento. Los sólidos en suspensión son mantenidos en esta forma por la
turbulencia propia del flujo del agua. Estos sólidos precipitan cuando el agua se aquieta,
excepto aquellos limos muy finos constituidos por materia coloidal. Si colocamos agua en
un recipiente, al cabo de un tiempo relativamente corto todos los sólidos en suspensión
habrán precipitado, excepto algunos muy finos que quedan en suspensión por tiempo
indefinido. Estos confieren al agua una turbiedad que no se elimina por el simple recurso
de permitir la sedimentación de los sólidos en suspensión. Los coloides son partículas
muy pequeñas (f <0,5 m), que como tal presentan una relación de superficie a masa muy
grande. Prácticamente todas las partículas muestran evidencias de distribución de cargas
eléctricas superficiales, tanto positivas como negativas. En el caso de los coloides, la
enorme superficie en relación a la masa hace que estas cargas determinen las
características eléctricas de la partícula. En el caso de las aguas superficiales los coloides
resultan cargados negativamente. Estas cargas eléctricas producen una repulsión entre
las partículas, lo que impide su sedimentación. La única forma de permitir su
precipitación es neutralizando las cargas negativas, lo que se logra con la adición de un
coagulante, por lo general una sal inorgánica de metales (cargas positivas) trivalentes
como el aluminio o el hierro. Estos metales también precipitan en forma de hidróxidos, lo
que facilita el proceso de sedimentación.
[05]
CALIDAD REQUERIDA PARA EL AGUA POTABLE
(PRINCIPALES NORMAS VIGENTES)
Parámetro
Unidades
WHO
(OMS)
1995
Argentina
1994
USA
1998
Color
Sabor
Olor
Turbiedad
Sólidos disueltos totales (TDS)
Dureza total como CO3 Ca
Calcio
Magnesio
Manganeso
Sodio
Arsénico
Bario
Boro
Cadmio
Cobre
Cromo
Mercurio
Plomo
Hierro
Aluminio
Zinc
Cloruros
Sulfatos
Fluoruros
Nitratos
Nitritos
Cianuros
Coliformes fecales
Coliformes totales
Varias
NTU
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
Mg/l
UFC/100 ml
UFC/100 ml
15 UCV
Sin
5
1000
0,5
200
0,01
0,7
0,3
0,003
2
0,05
0,001
0,01
0,3
0,2
3
250
250
1,5
50
3
0,07
0
0
5 Pt-Co
Sin
Sin
3
1500
400
0,01
0,05
0,005
1
0,05
0,001
0,05
0,3
0,2
5
350
400
1,7
45
0,1
0,1
0
0
15 UCV
3
5
500
0,05
0,05
2
0,005
3
0,1
0,002
0
0,3
0,2
5
250
250
4
44,3 (10 #)
1
0,2
0
0
# La norma de USA establece el límite para los nitratos en 10 mg/l, expresados como
contenido de nitrógeno.
Solo se han indicado los parámetros principales. Las normas son mucho mas extensas,
incluyendo productos orgánicos, pesticidas, etc.
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Principales procesos de tratamiento del agua
a) Tratamiento primario de aguas superficiales
Cuando el agua a tratar es agua superficial (de río, lagos, etc.), el tratamiento primario
consiste habitualmente de las siguientes etapas:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rejas de desbaste.
Tamices autolimpiantes.
Bombas de impulsión.
Medición del caudal de tratamiento.
Dosificación química:
o Coagulante.
o Polielectrolito o floculante.
o Precloración
Flash mixing (mezcla rápida).
Floculación.
Clarificación o sedimentación.
Filtración.
Se explican brevemente cada una de estas etapas. No necesariamente se requieren todas.
Dependiendo de las características de la fuente de agua, del caudal a tratar, etc., algunas
pueden no existir.
Las rejas de desbaste y los tamices autolimpiantes se instalan en plantas grandes, como
aquellas destinadas a alimentar una ciudad. En estas plantas el agua del río o lago llega
por un canal, o una cañería subterránea, a la cámara de bombeo. Antes de entrar a la
cámara de bombeo el agua pasa primero por rejas gruesas, normalmente con una
separación entre barrotes de entre 5 y 10 cm. Estas rejas tienen por objeto proteger a las
bombas de sólidos grandes tales como troncos, ramas, botellas, etc., que pudieran ser
arrastrados por la corriente de agua. A continuación de las rejas gruesas se colocan
tamices autolimpiantes, con un tamaño de malla de algunos milímetros. Estos retienen y
extraen los sólidos que pudieron pasar por las rejas.
En plantas pequeñas, muchas veces se colocan directamente las bombas en el río o lago,
donde aspiran a cierta profundidad bajo la superficie. Las bombas disponen en la
aspiración de un filtro de mallas, cuyo objetivo es similar al de los tamices autolimpiantes.
Las bombas de impulsión fuerzan el agua hacia la planta de tratamiento, donde
habitualmente la circulación interna es por gravedad.
La medición del caudal de agua cruda es importante para regular la dosificación de
productos químicos. Por lo general, se utiliza una canaleta Parshall, que permite además
actuar como elemento de mezclado rápido (flash mixing).
[07]
Los productos químicos que se agregan al agua son:
a ) Coagulante: Tiene por objeto neutralizar las cargas eléctricas de los coloides,
permitiendo que los mismos puedan sedimentar. Para ello se utilizan sales de
metales trivalentes, normalmente de hierro o aluminio. Entre los más comunes
están el sulfato de aluminio, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfato férrico,
policloruro de aluminio, etc. Las dosis, en el rango 10 a 100 ppm, se determinan
experimentalmente mediante el “Jar Test” o “Ensayo de Jarras”.
b ) Floculante: Tiene por objeto facilitar el agrupamiento de partículas pequeñas de
manera de formar otras mas grandes, que sedimenten mas fácilmente. Por lo
general son productos orgánicos de alto peso molecular, que uno puede imaginar
como largas cadenas que enganchan y unen las partículas. Las dosis son muy
pequeñas, menores a 1 ppm.
c ) Precloración: No siempre se utiliza. A veces, con altos contenidos de materia
orgánica, una adición de cloro en la entrada contribuye a oxidar la materia orgánica
facilitando su remoción como precipitado en el clarificador o sedimentador. Igual
que en los casos anteriores, las dosis son determinadas experimentalmente.
El “Jar Test” o “Ensayo de Jarras” consiste en un conjunto de vasos de precipitado de 1 lt
de capacidad, asistidos por un conjunto de agitadores accionados por un motor común.
En cada vaso se coloca agua cruda y distintas dosis de coagulante y floculante. Por
observación de los flocs formados en los vasos se determina cual es la dosis que mejor
resultados ofrece.
Inmediatamente después de la inyección de los productos químicos (coagulante y
floculante), es necesario producir una rápida agitación para mezclar completamente estos
productos con el agua. Esto es lo que se denomina “Flash Mixing”. Para ello pueden
utilizarse varios medios. Antiguamente se utilizaba una cámara de mezcla equipada con
un agitador rápido. También puede utilizarse un mezclador estático aguas abajo del punto
de inyección de los reactivos. Otra posibilidad muy utilizada es incluir como elemento de
medición de caudal una canaleta Parshall (o un vertedero) y utilizar la turbulencia propia
de estos elementos como factor de mezclado.
El proceso siguiente es la Floculación. Este proceso consiste en facilitar el
aglutinamiento de las micropartículas coaguladas de modo que formen flocs, o partículas
de mayor tamaño. Para ello el agua pasa por algunas cámaras (habitualmente entre una y
cuatro) que le brindan tiempos de residencia entre 5 y 20 minutos. En estas cámaras, el
agua es agitada suavemente para facilitar el contacto de las partículas coaguladas con las
cadenas del floculante, de modo que se formen flocs.
Una agitación que no sea suave puede producir un efecto adverso, al romper los flocs
formados. El parámetro de diseño es el gradiente, un parámetro que relaciona la potencia
de agitación suministrada con el volumen de la cámara. Cuando se utilizan varias
cámaras, la primera es la que tiene el gradiente mayor, y este va disminuyendo en las
cámaras siguientes.
[08]
Los agitadores para floculación pueden ser de paletas, horizontales o verticales, o axiales,
con un eje vertical y una hélice en un plano horizontal. En todos los casos la velocidad de
giro es muy reducida para producir la potencia requerida. Es útil que se pueda variar la
velocidad de giro para permitir experimentar con distintos gradientes. Dado que estos
motores son de muy baja potencia, hoy lo más práctico es disponer de motores
comandados con variadores de frecuencia.
El agua floculada pasa a un clarificador o sedimentador, donde se permite que las
partículas sedimenten hacia el fondo del equipo. El agua clarificada, libre de sólidos en
suspensión, es colectada en la parte superior.
Existen distintos tipos de clarificadores. Según su forma pueden ser cuadrados,
rectangulares o circulares. En todos los casos, el agua clarificada es colectada en la parte
superior por medio de canaletas o tubos perforados bajo la superficie del agua. El
parámetro más importante es la superficie horizontal disponible en el equipo. El caudal de
trabajo dividido por esta superficie da la velocidad específica de trabajo. Equipos chicos se
construyen cuadrados o circulares, de diseño estático. Tienen un fondo cónico o piramidal
invertido, donde se acumulan los lodos que precipitan. El agua entra por la zona media del
equipo y asciende hacia la superficie, mientras los sólidos precipitan hacia el fondo.
En equipos más grandes, si se mantiene el concepto de diseño estático, deben utilizarse
muchas tolvas de forma piramidal invertida, para no incrementar la altura del equipo. Otra
opción es utilizar barredores mecánicos que arrastran los lodos precipitados hacia un
extremo donde existe una tolva que los colecta. En el caso de los clarificadores circulares,
cuando estos son grandes también disponen de barredores circulares que arrastran los
lodos hacia el centro, por donde se extraen.
Los lodos se pueden extraer en forma continua, o más frecuentemente en forma
periódica, abriendo y cerrando las válvulas de las tolvas con una frecuencia y por períodos
determinados.
Cuando se requiere no agrandar demasiado los equipos, puede recurrirse a la utilización
de elementos auxiliares tales como paquetes de placas inclinadas. Estas placas
inclinadas, construidas en materiales plásticos, inoxidable u otros, constituyen mazos de
caños de sección cuadrada o hexagonal, con un diámetro equivalente de unos 5 cm.
Están inclinados a unos 60 º y la altura estándar es de aprox. 60 cm. Al pasar el agua a
través de los canales formados por estos tubos, el flujo se hace mas laminar y esto facilita
la precipitación de las partículas. Con este sistema es posible duplicar la velocidad media
de trabajo del equipo, con lo que su superficie se reduce sensiblemente.
Es importante destacar que cada coagulante tiene un rango óptimo de pH. A su vez, su
adición al agua modifica el pH de la misma. Muchas veces el pH queda finalmente dentro
de un rango aceptable, pero a veces resulta necesario agregar algún ácido para bajarlo
algo más.
Con equipos clarificadores que funcionen correctamente, con las dosis adecuadas de
coagulantes y floculantes, es posible obtener un agua clarificada con turbiedades
[09]
menores de 10 NTU. Esta turbiedad remanente es debida a algunos flocs muy pequeños
que no llegan a precipitar.
Finalmente es necesario filtrar el agua clarificada para eliminar los sólidos remanentes
(flocs muy pequeños que no sedimentan). La filtración del agua se efectúa sobre mantos
granulares que deben ser lavados periódicamente. Con filtros operando en forma
satisfactoria es posible obtener agua con turbiedades menores a 1 NTU.
Existen una variedad importante de filtros. En general, el elemento granular mas utilizado
es la arena, por su precio y su facilidad de obtención.
Los filtros constan de un manto filtrante (capa de arena de una granulometría
determinada), un soporte para este manto, un sistema de colección del agua filtrada y una
estructura de contención del conjunto. En principio podemos hablar de dos tipos básicos
de filtros: filtros abiertos y filtros a presión. En los primeros se trabaja con velocidades
menores, donde las pérdidas de carga son relativamente bajas, y compensadas solo por la
diferencia de niveles del agua. Son como piletas abiertas en la parte superior.
Los filtros a presión están contenidos en recipientes metálicos y trabajan con presiones
mayores. Esto permite por un lado trabajar con mayores pérdidas de carga, y por lo tanto
con mayores velocidades de filtración, lo que deriva en filtros de menor sección. Por otra
parte, permiten también obtener un agua filtrada a cierta presión, lo que no ocurre con los
filtros abiertos, donde el agua filtrada está a presión atmosférica.
El proceso de filtración es complejo, donde las partículas sólidas son retenidas por el
medio filtrante a través de diversos mecanismos, que dependen del tamaño de la
partícula. El mecanismo más simple es la retención por el simple hecho de que la
partícula a filtrar es más grande que los intersticios que quedan entre las partículas del
medio filtrante. Otro mecanismo de retención es por impacto, cuando el flujo de agua se
desvía alrededor del grano del medio filtrante y la partícula continúa por inercia en la
dirección del grano hasta chocar con el. Existen otros mecanismos mas sutiles que
también contribuyen a la retención de las partículas, tales como el movimiento
Browniano, difusión, etc.
Las partículas retenidas constituyen una torta que a su vez actúa como medio filtrante,
produciendo una retención adicional de partículas.
La torta que se forma sobre el medio filtrante con los sólidos retenidos produce un
incremento de la pérdida de carga (o una disminución del caudal de trabajo). Cuando esta
pérdida de carga alcanza un valor determinado, se considera que el filtro está sucio, y debe
ser lavado. Para ello se lo saca de servicio y se le hace pasar agua en dirección inversa
(hacia arriba) para arrastrar y eliminar la suciedad retenida. Luego se pone nuevamente en
servicio.
Si la cantidad de sólidos a retener es baja, los filtros de manto único de arena, con una
granulometría de alrededor de 0,5 mm de tamaño efectivo, son la solución clásica. Pero si
la cantidad de sólidos es mayor, estos filtros se colmatan (se ensucian) rápidamente, lo
[010]
que obliga a sacarlos de servicio y lavarlos con demasiada frecuencia. Si bien para esto no
existe una definición única, puede considerarse que carreras de filtración menores a 8
horas son muy cortas. El lavado de los filtros puede demandar, dependiendo del diseño,
entre 15 y 30 minutos.
La solución cuando la cantidad de sólidos es alta, es la utilización de filtros multimedia.
Estos filtros constan de dos o tres mantos de diferente granulometría. Las partículas de
tamaño mayor están en la zona de entrada del agua a filtrar, de modo que se produce una
retención de sólidos en profundidad, lo que incrementa la capacidad de retención del
filtro. La capa final, de menor granulometría, es la que define la calidad del agua filtrada.
Cuando se utilizan mantos de distinta granulometría deben utilizarse también distintos
materiales para los mismos. Esto se debe a que si el material es el mismo (con la misma
densidad), al contralavarse el filtro los mantos tienden a reclasificarse, invirtiéndose la
granulometría del mismo. Para evitar esto se recurre a mantos de distinto material según
la granulometría, de modo que aquellos de tamaño mayor sean más livianos. De esta
forma se compensa el efecto de reclasificación mencionado.
Los filtros multimedia mas comunes utilizan dos medios: uno superior de antracita, con
granulometrías en el rango 0,8 – 1,2 mm, y otro de arena, con granulometría de alrededor
de 0,5 mm. Cuando se utilizan tres medios, por debajo de la arena se coloca un manto de
granate, de granulometría alrededor de 0,3 mm. El granate es mucho mas pesado que la
arena.
Otra alternativa es la utilización de filtros que trabajan con flujo de agua hacia arriba (Upflow). De esta manera se puede utilizar un solo tipo de material. Algunos de ellos se
contralavan con un caudal mayor de agua en el mismo sentido; otros trabajan
recirculando parte de la arena hacia un sistema de lavado que luego la retorna al filtro.
Este es el caso del Dynasand, donde el agua es filtrada en forma continua de abajo hacia
arriba, y una cierta cantidad de arena sucia de la parte inferior es elevada mediante un airlift y volcada en una caja de lavado desde donde cae nuevamente al filtro mientras la
suciedad es arrastrada fuera de la caja.
El consumo de agua para lavado de los filtros está en el rango del 3 al 5 % del agua
producida. En los filtros convencionales esta agua se consume puntualmente durante el
contralavado. Es decir, se utilizan caudales altos durante un corto período de tiempo. Esto
obliga a disponer de bombas adecuada, una reserva de agua para lavado y sistemas de
drenajes capaces de absorber estos caudales. Los filtros de operación continua como el
Dyanasand consumen esta agua en forma continua mientras operan, es decir a un caudal
muy bajo. Esto evita la necesidad de reservas de agua ad-hoc, bombas y permite utilizar
sistemas de drenajes mas chicos, o eventualmente recircular el agua de lavado a la
entrada del tratamiento (en los filtros convencionales esto solo es posible si se dispone de
facilidades de almacenamiento temporario, ya que los caudales de lavado de filtros pueden
ser del mismo orden que el de clarificación.
Cuando las aguas a tratar están poco cargadas, como sucede con algunos ríos de
montaña, agua de algunos lagos, etc., es posible utilizar una coagulación y floculación en
[011]
línea y filtración directa. Es decir, se evita la etapa de sedimentación. Obviamente, en este
caso la carga de sólidos a los filtros puede resultar superior, pero muchas veces la menor
inversión al evitarse la etapa de sedimentación compensa la mayor frecuencia del lavado
de filtros. La experiencia práctica en cada caso determina la viabilidad de esta solución.
Muchas veces, cuando este esquema de trabajo promete, se construye la instalación
dejando previsto el espacio para construir eventualmente la etapa de sedimentación si
esta finalmente resulta necesaria.
b) Utilización de agua subterránea
Cuando se utiliza agua subterránea, prácticamente todo lo que se requiere es el pozo y la
bomba. La calidad del agua obtenida en un pozo es similar a la obtenida luego de la etapa
de clarificación-filtración de aguas superficiales. A veces, más por razones de seguridad,
se pueden incluir filtros de arena.
c) Otros procesos de tratamiento
A partir de este punto, tanto para el caso de aguas superficiales clarificadas y filtradas,
como en el de agua de pozo, los tratamientos a efectuar dependen de la utilización que se
le dará al agua. En muchos casos, cuando las aplicaciones del agua en una planta son
diversas, puede resultar necesario implementar distintos tipos de tratamiento para
adecuar la composición de la misma a cada requerimiento particular.
Citaremos a continuación algunos casos típicos. Estos son:
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•
•
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Agua potable
Agua industrial
Agua para calderas
Agua para procesos especiales
Agua para bebidas
Para agua potable, industrial y algunos procesos, las características químicas del agua
que se obtiene a través de los procesos de clarificación y filtración, o de pozo, caen dentro
del rango aceptable para la aplicación, por lo que no resulta necesario ningún tipo de
acondicionamiento químico. Sí resulta necesaria la desinfección del agua. Esta
desinfección es mandatoria en el caso de aguas superficiales, donde se logra mediante la
adición de agentes desinfectantes como el cloro. Este se aplica como cloro gas o
hipoclorito de sodio, dependiendo de los consumos involucrados cual es la solución mas
adecuada.
El cloro es un oxidante fuerte que destruye la materia orgánica, y por lo tanto los
microorganismos presentes en el agua. Se agrega cloro en cantidad suficiente para que
luego de un cierto tiempo de contacto (~_ hora) quede un residual medible (~0,2 – 0,5
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ppm). En la mayor parte de los casos esto es todo lo que se hace. A veces, sin embargo,
sobre todo cuando el agua se destina a consumo humano, se incluye una etapa final de
filtración sobre carbón activado. Esta filtración tiene por objeto eliminar el cloro residual
mejorando las condiciones organolépticas del agua (eliminando el gusto y/u olor a cloro).
Cuando se potabiliza el agua con destino a poblaciones esto no se hace pues es necesario
garantizar un cierto tenor de cloro residual en el sistema de distribución. Por otra parte,
luego de los filtros de carbón activado, la ausencia de cloro residual puede permitir el
eventual desarrollo de microorganismos. En aquellas plantas donde se utiliza, para evitar
este problema suele recurrirse a la colocación de filtros UV antes de los consumos. Los
filtros UV son efectivos, pero carecen de acción residual. Los filtros de carbón activado
también son útiles cuando en el tratamiento de aguas superficiales queda algún color
remanente. Asimismo, la remoción de trihalometanos y otras trazas de productos
orgánicos mejora el gusto del agua.
Para la utilización de agua industrial, en la mayoría de los casos puede utilizarse agua
potable. En otros casos, simplemente no se clora.
En el caso del agua de calderas, pueden ser necesarios tratamientos de tipo
ablandamiento o desmineralización, dependiendo de la presión de trabajo de las mismas.
Cuando el agua se utilizará para la fabricación de bebidas, puede ser necesario
acondicionarla químicamente de modo las concentraciones de los distintos iones queden
dentro de los rangos aceptable para la aplicación, que pueden ser mas restrictivos que los
correspondientes a agua potable. Por otra parte, también es posible que para garantizar
condiciones microbiológicas seguras se exijan algunos tratamientos particulares.
En particular, las primeras marcas de bebidas incluyen límites algo más restrictivos para
cloruros y sulfatos, por problemas de sabor.
También se especifican límites más restrictivos para la dureza, debido a que esta puede
acomplejar algunos productos orgánicos utilizados como conservantes, con lo que
disminuye la duración del producto en góndola.
La alcalinidad también es un parámetro controlado (habitualmente se trata de que no
supere las 50 ppm) debido a que al trabajarse con presiones y temperaturas constantes
para el proceso de carbonatación, lo que implica concentraciones estables de CO2, si la
alcalinidad es mayor sube el pH, lo que altero el gusto del producto.
Desde el punto de vista microbiológico, se exige habitualmente que existan al menos tres
barreras que puedan impedir la contaminación del agua, basadas en principios diferentes.
Así, se suele exigir una etapa de filtración (barrera mecánica), que puede ser mediante
filtros de arena, con o sin coagulación previa. Si no se utiliza coagulación previa del agua,
se exige tener microfiltros de 1 , b=5000. Esta exigencia no existe cuando se utiliza
coagulación previa (se supone que la torta que se forma con los sólidos coagulados
produce un efecto filtrante similar al de cartuchos de 1 .
Como segunda barrera (química) se exige la desinfección con cloro (hipoclorito), con dosis
de 8 a 10 ppm de cloro residual y tiempos de residencia de alrededor de dos horas. Esta
exigencia proviene, probablemente, del hecho de que tradicionalmente se han utilizado
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pretratamientos con sedimentadores con cal, que producen un agua con pH alto, lo que
disminuye la acción del cloro.
La tercera barrera es de radiación, utilizándose filtros ultravioleta en la zona de 254 nm,
con dosis superiores a 30 mWs/cm2.
Algunos procesos que pueden encontrarse en plantas de tratamiento se incluyen en la
siguiente lista:
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Intercambio iónico:
o Ablandamiento.
o Desmineralización.
o Desalcalinización.
Torres descarbonatadoras:
o Desalcalinización.
o Desmineralización.
Torres desoxigenadotas al vacío.
Procesos de membranas:
o Osmosis inversa.
o Nanofiltración.
o Ultrafiltración o micro filtración continua.
o Electrodiálisis reversa.
Microfiltración.
Filtración sobre precapa.
Electrodeionización.
Desaireación térmica.
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