Aguas residuales o aguas negras. Las principales fuentes de aguas negras son las ciudades y las industrias. Además de los desechos agrícolas y de los escurrimientos de agua de riego. En todos los grandes centros urbanos del planeta Tierra se generan grandes cantidades de aguas negras como consecuencia del desarrollo de las actividades humanas tanto personales como industriales. Las aguas negras que son generadas por las actividades humanas solamente son tratadas en los países desarrollados, pero no todas las que son generadas, para eliminarle los componentes del agua considerados peligrosos para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) antes de ser arrojados a los conductos de aguas negras. Sin embargo, todavía otras industrias las arrojan a los desagües sin ningún tratamiento previo y en la mayoría de los países subdesarrollados solamente una minoría se dan algún tratamiento antes de ser desechadas, lo que a nivel global hace que el problema de la generación de las aguas negras aumente a medida que crece la industria y las demás actividades humanas. Por otra parte, en la mayoría de los países los sistemas de aguas negras domésticas es el mismo para recibir las aguas pluviales lo cual provoca mayores problemas de contaminación porque acelera la distribución de aguas negras a lugares no previstos para ello. Las etapas para el tratamiento de aguas negras domésticas se hacen con el propósito principal de disminuir la demanda bioquímica de oxígeno de las aguas de desecho. Se conocen como tratamiento primario, secundario y terciario. Entre las disciplinas que participan en los proceso de tratamientos de aguas contaminadas se encuentran: ingenierías y ciencias exactas (ingeniería química, ingeniería civil, ingeniería mecánica y eléctrica, química y física), ciencias de la vida (biología, biología marina, microbiología, bacteriología), ciencias de la tierra (geología, hidrología, oceanografía) y ciencias sociales y económicas (leyes, sociología, ciencias políticas, relaciones públicas, economía y administración). http://ebueno93.blogspot.mx/2010/06/tratamiento-de-aguas-residuales.html Tratamiento primario de de aguas negras. Entre las operaciones que se utilizan en los tratamientos primarios de aguas contaminadas están: la filtración, la sedimentación, la flotación, la separación de aceites y la neutralización. El tratamiento primario es un proceso mecánico que utiliza cribas para separar los desechos de mayor tamaño como palos, piedras y trapos. Las aguas negras de las alcantarillas llegan a la cámara de dispersión en donde se encuentran las cribas, de donde pasan las aguas negras al tanque de sedimentación, de donde los sedimentos pasan a un tanque digestor y luego al lecho secador para luego ser utilizados como fertilizante en las tierras de cultivo o a un relleno sanitario o son arrojados al mar. Del tanque de sedimentación el agua es conducida a un tanque de desinfección con cloro (para matarle las bacterias) y una vez que cumpla con los límites de depuración sea arrojada a un lago, un río o al mar. Otra manera de hacer el tratamiento primario a las aguas negras conocidas también como aguas crudas de albañal, es haciéndola pasar a través de una criba de barras para separar los objetos de mayor tamaño. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras tienen trituradores para los objetos grandes con el objeto de que no obstruyan esta etapa del tratamiento. Luego pasan las aguas a un tanque de sedimentación donde fluye lentamente para que sedimenten las piedras, arena y otros objetos pesados. De éste tanque las aguas negras pasan a otro grande llamado de asentamiento, en donde se sedimentan los sólidos en suspensión (quedan como lodos en el fondo del tanque) y los aceites y las grasas flotan en forma de nata o espuma. Después de este proceso, en algunos casos, el agua que queda entre el lodo y la nata se escurre o libera al ambiente o se le da un tratamiento con cloro (proceso de cloración) para matarle las bacterias antes de ser arrojadas al ambiente. o se hace pasar al tratamiento secundario. http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/180Depur.htm El tratamiento primario de las aguas negras elimina alrededor del 60% de los sólidos en suspensión y alrededor del 35 % de los materiales orgánicos (35% de la demanda bioquímica de oxígeno). Solamente en los países desarrollados se trata cerca del 30% de las aguas negras domésticas mediante el tratamiento primario y cerca del 60% se somete al tratamiento secundario ya que éste cuesta aproximadamente el doble de lo que cuesta el tratamiento primario. Tratamiento secundario. Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento secundario de las aguas contaminadas están: el proceso de lodos activados, la aireación u oxidación total, filtración por goteo y el tratamiento anaeróbico. El tratamiento secundario de aguas negras es un proceso biológico que utiliza bacterias aerobias como un primer paso para remover hasta cerca del 90 % de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. Después de la sedimentación, el agua pasa a un tanque de aireación en donde se lleva a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica y posteriormente pasa a un segundo tanque de sedimentación, de ahí al tanque de desinfección por cloro y después se descarga para su reutilización. El tratamiento secundario más común para el tratamiento de aguas negras es el de los lodos activados. Las aguas negras que provienen del tratamiento primario pasan a un tanque de aireación o aireación en donde se hace burbujear aire o en algunos casos oxígeno, desde el fondo del tanque para favorecer el rápido crecimiento de las bacterias y otros microorganismos. Las bacterias utilizan el oxígeno para descomponer los desechos orgánicos de las aguas negras. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman una especie de lodo conocido como lodo activado, el cual se deja sedimentar y luego es llevado a un tanque digestor aeróbico para que sea degradado. Posteriormente es utilizado como fertilizante en los campos de cultivo o incinerado o llevado a un relleno sanitario o arrojado al mar. http://israeltratamientobiologico.blogspot.mx/ Otras plantas de tratamiento de aguas negras utilizan un dispositivo llamado filtro percolador en lugar del proceso de lodos activados. En este método, las aguas negras a las que les han sido eliminados los sólidos grandes, son rociadas sobre un lecho de piedras de aproximadamente 1.80 metros de profundidad. A medida que el agua se filtra entre las piedras entra en contacto con las bacterias que descomponen a los contaminantes orgánicos. A su vez, las bacterias son consumidas por otros organismos presentes en el filtro. Del tanque de aireación o del filtro percolador se hace pasar el agua a otro tanque para que sedimenten los lodos activados. El lodo sedimentado en este tanque se pasa de nuevo al tanque de aireación mezclándolo con las aguas negras que se están recibiendo o se separan se tratan y luego se tiran o se entierran. La eliminación de los lodos de las aguas negras constituye otro problema muy importante de contaminación y costoso. Una planta de tratamiento de aguas negras produce grandes cantidades de lodos que se necesita eliminar como desechos sólidos. El proceso de eliminación de sólidos de las aguas negras no consiste en quitarlos y tirarlos sino que se requiere de tratarlos antes de tirarlos y su eliminación es muy complicada y costosa. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras utilizan filtros trompa, en donde las bacterias aerobias llevan a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica cuando las aguas escurren a través de un lecho grande lleno de piedra triturada cubierta de bacterias aerobias y de protozoarios. http://www.efeverde.com/blog/ Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas negras eliminan cerca del 90% de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica (90% de la demanda bioquímica de oxígeno). De los sólidos eliminados, una parte se utiliza para la elaboración de fertilizantes pero la mayor parte se usa de relleno de tierra o se tira al mar. En Estados Unidos, el tratamiento primario y el secundario combinados deben ser utilizados en todas las comunidades que cuenten con plantas de tratamiento de aguas de desecho. Sin embargo, este procedimiento deja todavía en el agua tratada entre un 3 y un 5% en peso de los desechos que requieren oxígeno, 3% de los sólidos en suspensión, 50% del nitrógeno (principalmente en forma de nitrato), 70% del fósforo (principalmente en forma de fosfatos) y 30% de la mayoría de los compuestos de metales tóxicos y de productos químicos orgánicos. Como los tratamientos primario y secundario de aguas negras no eliminan a los nitratos ni a los fosfatos, éstos contribuyen a acelerar el proceso de eutroficación o eutrofización de los lagos, de las corrientes fluviales de movimiento lento y de las aguas costeras. Por otra parte, los ambientalistas consideran que los métodos primario y secundario son insuficientes, limitados e imperfectos, por lo que se debe hacer un mejor tratamiento de las aguas negras y de desechos industriales, así como evitar su sobrecarga. En el tratamiento primario y secundario de aguas negras no son eliminados los productos químicos persistentes como los plaguicidas, ni los radioisótopos que tienen un tiempo de vida media grande. Tratamiento terciario. Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento terciario de aguas contaminadas están: la microfiltración, la precipitación y coagulación, adsorción por carbón activado, intercambio iónico, ósmosis inversa, la electrodiálisis, remoción de nutrientes, cloración y la ozonización. A cualquier tratamiento de las aguas negras que se realiza después de la etapa secundaria se le llama tratamiento terciario y en este, se busca eliminar los contaminantes orgánicos, los nutrientes como iones fosfato y nitrato o cualquier exceso de sales minerales. http://www.diarioinformacion.com/ En el tratamiento terciario de aguas negras de desecho se pretende que sea lo más pura posible antes de ser arrojadas al medio ambiente. Dentro del tratamiento de las aguas de desecho para la eliminarles los nutrientes están la precipitación, la sedimentación y la filtración. Actualmente se aplican muy pocos tratamientos terciarios a las aguas negras domésticas. El método de cloración es el más utilizado, pero como el cloro reacciona con la materia orgánica en las aguas de desecho y en el agua superficial produce pequeñas cantidades de hidrocarburos cancerígenos. Otros desinfectantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luz ultravioleta empiezan a ser empleados en algunos lugares, pero son más costosos que el de cloración. Métodos avanzados de tratamiento de aguas contaminadas. Estos consisten en una serie de procesos químicos y físicos especializados, que se utilizan para disminuir la cantidad de contaminantes específicos que quedan todavía en el agua después de los tratamientos primario y secundario. Estos tratamientos avanzados dependen del tipo de contaminantes que contenga el agua. Son procedimientos que pocas veces se utilizan debido a que son muy costosos, pues la construcción de una planta de éstas cuesta el doble que una de tratamiento secundario y el cuádruple su operación. Entre éstos métodos se encuentran la ósmosis inversa, el intercambio iónico o el de la electrodiálisis que se utilizan para la desmineralización de las aguas y eliminar los iones orgánicos, y el de adsorción con carbono activado que se utiliza para eliminarle al agua los compuestos orgánicos. Cabe señalar que todos estos métodos no se utilizan con mucha frecuencia, aunque sean complementarios para el tratamiento secundario de las aguas de desecho. Eliminación de los nutrientes El método más común de tratamiento de aguas negras para la eliminación de los iones fosfato se basa en la adición de compuestos químicos que forman precipitados sólidos con los fosfatos. Mediante el proceso de floculación se hace que los precipitados de los fosfatos se sedimenten y luego son eliminados por medio del proceso de filtración. También para eliminar los fosfatos del agua se está investigando su eliminación mediante el tratamiento biológico de intercambio selectivo de iones. El nitrógeno orgánico de las aguas negras es transformado en ión amonio por bacterias y a su vez el ión amonio es transformado por otras bacterias en el ión nitrato. Es más difícil eliminar los nutrientes nitrogenados que los fosfatos de las aguas contaminadas. Un método utilizado para eliminar los nutrientes nitrogenados del agua es mediante bacterias desnitrificantes que convierten el ión nitrato en nitrógeno gaseoso. En este método de biodesnitrificación se hace pasar lentamente al agua a través de una columna que contiene a las bacterias y el nitrógeno producido se libera a la atmósfera. Otro método para eliminar el ión amonio consiste en hacerlo reaccionar con un hidróxido para producir amoníaco y agua, luego se hace burbujear aire para separar al amoníaco en forma de gas. También se están probando otros métodos para eliminar el ión amonio como el uso de la electrólisis y el intercambio iónico del ión amonio y de los nitratos. Adsorción con carbono activado. Este método se utiliza para eliminar materia orgánica disuelta en el agua y consiste en hacer pasar por columnas rellenas de carbono granular activado al agua. Como el carbono es muy poroso y tiene una gran superficie de contacto los contaminantes orgánicos se adhieren en la superficie del carbono y además sirve para eliminar los sólidos en suspensión. Aprovechando la propiedad de adsorción del carbono se eliminan los compuestos orgánicos residuales y la mayoría de los sólidos en suspensión del agua. El carbono se puede regenerar para reutilizarse mediante un horno para quemar el material orgánico adsorbido. Ósmosis inversa. En el proceso de ósmosis inversa se requiere de una membrana semipermeable (cuando están en contacto con la solución, permite el paso de pequeñas moléculas de disolvente y bloquea el paso de moléculas o iones de mayor tamaño como el soluto) que solamente permita el paso del agua. Cuando una solución acuosa (por ejemplo, agua con iones minerales) se separa del agua mediante una membrana semipermeable, el agua fluye hacia la solución y debido a esto la concentración de iones en solución disminuye. Este es el fenómeno de la ósmosis y a la presión necesaria para evitar que se presente el fenómeno de la ósmosis se le llama presión osmótica de la solución.. Sin embargo, este proceso puede invertirse mediante la aplicación de una presión sobre la solución con lo cual el agua es forzada a fluir de la solución hacia la otra parte del sistema (el agua dulce) provocando así la concentración de los iones. A este fenómeno se le conoce con el nombre de ósmosis inversa. http://servicios.laverdad.es/murcia_agua/cap15.htm El fenómeno de la ósmosis inversa es útil para la desmineralización de l agua y para la eliminación de materia orgánica y nutrientes disueltos en el agua. La ósmosis inversa puede llegar a lograr una desmineralización del 90 % con una pérdida de aproximadamente el 25 % del agua de alimentación en forma de sal muera. Se le considera como uno de los métodos de tratamiento terciario más prometedor para el tratamiento del agua contaminada. Membrana de ósmosis inversa http://www.master-medioambiente.com/2012/ La isla de Malta que se localiza en el mar Mediterráneo, está formada principalmente por piedra caliza y por eso existe poca agua dulce subterránea. Parte del agua para consumo en la isla se obtiene por el método de desalinización por ósmosis inversa reduciendo la salinidad del agua de 36 000 ppm a menos de 500 ppm (límite aceptable para el agua potable). La planta desalinizadora está en Ghar Lapsi y produce 5.3 millones de galones de agua desalinizada por día. http://www.hidroagua.com.mx/osmosis.htm Intercambio iónico. Para eliminar el exceso de iones inorgánicos positivos y negativos se utiliza el método de intercambio iónico, el cual se basa en el mismo principio que el método del intercambio iónico que se utiliza para el ablandamiento de aguas duras y su diferencia reside en el empleo de distintos tipos de resinas. En este método de intercambio iónico el agua se hace pasar a través de un lecho de resina de intercambio catiónico, en donde los iones positivos contenidos en el agua se intercambian por iones hidrógeno de la resina. El agua que se obtiene contiene aniones e iones hidronio (que se forma debido a la combinación del ión hidrógeno y el agua). Posteriormente el agua se pasa por un lecho de resina de intercambio de aniones, en donde los iones negativos del agua se intercambian con los iones hidroxilo de la resina. Luego los iones hidrolizo se combinan con los iones hidronio para formar agua. Por lo que el uso del método de intercambio iónico permite la sustitución por agua de los iones minerales inorgánicos. Para la desmineralización del agua el método de intercambio iónico tiene una eficiencia del 90 %. La resina de cationes se regenera mediante tratamiento con ácido sulfúrico y la resina de aniones al tratarla con una solución de amoníaco. Electrodiálisis. Este método aprovecha la propiedad que tienen los iones en solución al aplicarles un potencial eléctrico, por lo que los iones positivos se desplazan hacia el electrodo negativo (cátodo) y los iones negativos se desplazan hacia el electrodo positivo (ánodo). El método de desmineralización del agua por electrodiálisis utiliza una celda eléctrica en la que se coloca un tipo especial de membranas dializantes selectivas frente a los electrodos. La membrana permeable a los cationes permite el paso de los iones positivos y la membrana permeable a los aniones permite el paso a los iones negativos. Al aplicar el potencial eléctrico los iones fluyen hacia la celda de cada uno de los electrodos de acuerdo a su carga eléctrica y a la del electrodo de donde pasan a formar parte de la sal muera (agua que contiene los aniones y cationes separados en el proceso) y el agua purificada (contiene menor cantidad de iones) se conduce al recipiente de almacenamiento o conducida al sitio donde se utilizará. Con el método de electrodiálisis se logra una desmineralización del agua de un 35% con una pérdida de un 16% del agua alimentada en forma de sal muera de desecho. http://apuntescientificos.org/electroforesis-qbp.html Agua para fines domésticos. El agua para fines domésticos debe obtenerse de fuentes poco contaminadas de materia animal o vegetal y libre de sustancias que provengan de las industrias. En general, el tratamiento de esta agua busca la eliminación de la materia en suspensión, algunas veces se eliminan las impurezas en estado coloidal y en otros casos es conveniente la esterilización para hacerla potable. Eliminación de la materia en suspensión. El método fundamental que se utiliza para elimina la materia en suspensión en agua es la filtración a través de lechos de arena. Filtración lenta por arena. Para las aguas potables el proceso de filtración se realiza a velocidades de 60 litros/metro cuadrado/hora a través de lechos de arena fina debido a que tiene una gran superficie de contacto. Como la velocidad de filtración es muy lenta y debido a la finura de la arena utilizada en el proceso se obtiene agua muy clara. La velocidad de filtración disminuye gradualmente debido a la acumulación de sedimentos en los capilares del lecho filtrante, lo que provoca que después de un cierto tiempo, se hace tan lento el proceso que es necesario limpiar el lecho. La limpieza del lecho filtrante implica el raspado de la superficie del lecho de arena o el cavado, lavado y nuevamente el acondicionamiento de todo el medio filtrante. Los filtros lentos que trabajan por gravedad no sirven para eliminarlas impurezas coloidales. Estas solamente pueden separarse por medio de filtración cuando el agua ha sido tratada químicamente, y entonces este tipo de filtro no es adecuado para la separación de los precipitados producidos por medios químicos. Filtración rápida por acción de la gravedad. Los filtros rápidos por acción de la gravedad trabajan con caudales de casi 500 litros/metro cuadrado/hora. Esto se consigue utilizando arena de cuarzo seleccionada, que sea lo más regular posible en tamaño, y recogiendo regularmente el filtrado sobre toda la superficie del fondo del lecho de arena, para evitar que se formen canales y no se efectúe adecuadamente la filtración. El lecho de arena se limpia bien por agitación con aire comprimido y las partes pequeñas se limpian mecánicamente. Después de la limpieza se hace fluir el agua limpia en sentido opuesto para separar por lavado las impurezas residuales. Este método tiene tres ventajas que son: la fácil inspección del lecho y de la calidad del agua afluente; el filtro no se altera por las variaciones de presión del agua de entrada o de salida, y se pueden construir grandes unidades de hormigón armado de costo relativamente bajo. Los filtros rápidos de presión se utilizan generalmente donde la filtración ha de efectuarse en corrientes ascendentes sin que el agua pierda presión. Las velocidades de filtración varían desde 3500 hasta 10 000 litros/metro cuadrado/hora. Estos filtros se manejan y limpian de la misma manera que los filtros por gravedad. Eliminación de sustancias coloidales mediante coagulantes. La filtración por medio de arena separa solamente las partículas de gran tamaño pero no puede eliminar arcilla finamente dividida, sílice, materia orgánica, bacterias y esporas de algas. Este tipo de impurezas coloidales se eliminan coagulándolas primeramente y luego mediante filtración del agua. Los coagulantes generalmente utilizados son el hidróxido alumínico y a veces el hidróxido férrico. http://ebueno93.blogspot.mx/ Cuando se agrega sulfato alumínico a aguas neutras se hidroliza formando hidróxido alumínico coloidal y una cantidad equivalente de ácido sulfúrico. Para que la hidrólisis pueda continuar hasta completarse, es decir, para hacer filtrable el hidróxido alumínico y destruir el ácido sulfúrico liberado debe agregase un hidróxido si el agua no tiene la suficiente alcalinidad. Al2SO4)3 + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4. En las aguas alcalinas ocurre la reacción entre el sulfato alumínico y el carbonato ácido de calcio produciendo el hidróxido de aluminio más sulfato de calcio y bióxido de carbono. Al2SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 Con las aguas que contienen poca o ninguna alcalinidad natural, como por ejemplo las aguas cenagosas, se agrega un álcali como el hidróxido de calcio o el carbonato sódico. Preferentemente se utiliza el carbonato de sodio debido a que no aumenta la dureza del agua. Al2SO4)3 + 3 Na2CO3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 Pues la reacción química que ocurre es que un mol de sulfato alumínico más tres moles de carbonato de sodio más tres moles de agua reaccionan produciendo dos moles de hidróxido de aluminio más tres moles de sulfato de sodio y tres moles de bióxido de carbono. El aluminato sódico (NaAlO2) puede emplearse como fuente de hidróxido alumínico para aguas ácidas, y se utiliza con mucha frecuencia junto con el sulfato alumínico. La alcalinidad del aluminato de sodio se neutraliza con el sulfato alumínico, por lo que se precipita hidróxido de aluminio por dos fuentes: la del aluminato de sodio con agua produce hidróxido de sodio y el hidróxido de aluminio, y a partir del sulfato alumínico que con seis moles de aluminato de sodio y doce moles de agua produce ocho moles de hidróxido de aluminio y tres de sulfato de sodio. 1). NaAlO2 + 2 H2O NaOH + Al(OH)3. 2). Al2(SO4)3 + 6 NaAlO2 + 12 H2O 8 Al(OH)3 + 3 Na2SO4. Acción coagulante. Se puede considerar que el precipitado floculante de hidróxido alumínico producido elimina la materia coloidal por varios procesos combinados: 1.- Por inclusión sencilla, 2.- Por adsorción del coloide por el hidróxido alumínico, 3.- Por neutralización de las micelas coloidales positivas mediante el hidróxido alumínico coloidal negativo que se produce primero. El resultado es que el hidróxido alumínico se precipita junto con la materia coloidal en una forma que puede eliminarse fácilmente por medio de la filtración. La adición de coagulante puede hacerse en las instalaciones de filtración por gravedad mediante un simple mecanismo de distribución, para las instalaciones de presión se utilizan generalmente bombas de inyección. Es fundamental el mezclado homogéneo de los reactivos con el agua y que se sedimente la mayor cantidad posible de sólidos antes que el agua pase a los filtros ya que esto facilita y acelera el proceso de filtración. Esterilización del agua. La eliminación completa de las bacterias del agua solamente puede lograrse mediante el proceso de esterilización. La principal sustancia que se utiliza para la esterilización del agua es el cloro y se ha utilizado durante años. Para su utilización es necesario tener presente: la dosificación exacta, una buena distribución y el tiempo suficiente en contacto para que la esterilización sea eficaz (alrededor de 30 minutos). Si no se emplea la cantidad adecuada puede ocurrir que cuando es insuficiente la esterilización no es completa y si se agrega en exceso la esterilización es buena pero le altera el sabor. Tratamiento al amoníaco-cloro. Este tratamiento del agua es adecuado cuando se trató con cloro y están presentes trazas de impurezas que producen sabor al agua. El amoníaco se agrega en forma de gas y la reacción entre el amoníaco y el cloro produce la dicloramina (NHCl2). Probablemente la dicloramina no tenga propiedades esterilizantes pero al descomponerse libera cloro que sí es bactericida. La adición del amoníaco estabiliza al cloro por lo que su acción es más prolongada y esto es importante para cuando el agua es almacenada después de ser tratada. El cloro, el hipoclorito de sodio y la mezcla amoníaco-cloro se utilizan mucho para la desinfección del agua de las albercas. El grado de contaminación de las aguas residuales y la eficacia del proceso de esterilización se determina mediante una prueba bacteriológica para el Bacillus coli. Cuanto menor sea la cantidad de agua en la cual se pueda encontrar la bacteria, más importante es el grado de contaminación de esa agua. Cuanto mayor sea el volumen de agua tratada que hay que utilizar para encontrar al Bacillus coli, más eficaz es el proceso de esterilización. Para la esterilización de las aguas también se utiliza al ozono y a las radiaciones ultravioleta. La radiación de las lámparas de cuarzo-mercurio a presión elevada y con un tiempo de contacto de 1.75 segundos se ha logrado una destrucción eficaz del Bacillus coli y del Bacillus typhosus. Tratamiento con exceso de cal. Este tratamiento se utiliza para realizar un reblandecimiento parcial unido a una disminución sustancial del número de bacterias, por ejemplo hay aguas crudas de una dureza de alrededor de 45 partes/100 000 y que contienen Bacillus coli detectable en un centímetro cúbico de agua. Primero se almacena 8 o 9 días el agua y luego se trata con hidróxido de calcio y sulfato alumínico (la dosificación se hace con un exceso de cal que asciende a partes de hidróxido de calcio en 100 000 partes). Una vez que se ha depositado el sedimento, el exceso de hidróxido de calcio se elimina tratándolo con bióxido de carbono con lo que se forma el carbonato de calcio que precipita y se elimina por medio de filtración rápida. Como resultado de este tratamiento la dureza del agua se reduce a 10 partes/100000, mientras que el Bacillus coli no se ha encontrado en muestras de 100 centímetros cúbicos de agua. El sabor del agua se debe principalmente al contenido de materia orgánica y al cloro, otras veces puede ser por fenol que proviene de afluentes de las industrias. Estos sabores pueden eliminarse por tratamiento con permanganato de potasio. Cuando el sabor es debido al clorofenol se elimina al filtrar el agua a través de carbón activado. El cloro detiene el crecimiento de las algas, también lo hacen el permanganato de potasio y el sulfato de cobre. Si los conductos se ensucian deben limpiarse y los lechos filtrantes se deben volver a lavar para eliminar las acumulaciones de mucílagos y mejorar la velocidad de caudal. Ablandamiento de aguas y acondicionamiento del agua para calderas. El desarrollo de la industria lleva implícito el uso de las calderas de alta presión lo cual ha implicado serios problemas relacionados con las incrustaciones, corrosión y análisis del agua que se va a utilizar. Las incrustaciones provocan una baja conductividad térmica por lo que funcionan como aislantes caloríficos lo cual provoca un incremento en el consumo de combustible. Además, la disminución de la conductividad térmica provoca también un aumento de temperatura de las paredes de las tuberías lo que produce torceduras y requemado lo que incrementa la posibilidad de daños y accidentes. Los principales formadores de incrustaciones y sustancias productoras de dureza que se encuentran en las aguas naturales son las sales solubles de calcio y magnesio. Entre los compuestos más importantes que producen estos problemas están los bicarbonatos de calcio y de magnesio, y los sulfatos de calcio y de magnesio. También se pueden encontrar cloruros, hidróxidos, fosfatos, nitratos y silicatos de calcio y de magnesio. Industrialmente estas sales generadoras de incrustaciones pueden eliminarse por: destilación, tratamiento con cal sodada, cambio de hidróxido, uso de zeolitas y por combinación y modificación de estos métodos. Dureza temporal. La dureza provocada por el bicarbonato de sodio disuelto en el agua puede eliminarse por ebullición y se le conoce como dureza temporal. Con este procedimiento el bicarbonato de calcio que es soluble en agua se transforma en carbonato de calcio que es insoluble en agua y en bióxido de carbono. Ca(HCO3)2 + CaCO3 + H2O + CO2. El carbonato de calcio se descompone a temperaturas elevadas produciendo el bióxido de carbono que provoca la corrosión en las tuberías que conducen el vapor de agua dura, y además el carbonato de sodio puede transformarse en hidróxido de sodio el cual provoca la corrosión conocida como fragilidad cáustica del hierro. http://nuestromercado.clasificados.pe/ La dureza permanente que es debida a sulfatos de calcio y de magnesio solubles no puede eliminarse por ebullición del agua. Destilación. El método de destilación se utiliza para eliminar la dureza y los constituyentes productores de incrustaciones se utiliza en las grandes centrales de energía y barcos de vapor, donde la cantidad de agua que se requiere es pequeña en comparación con la evaporada en las calderas. Cuando de trabaja cuidadosamente se produce agua destilada de alta calidad pero generalmente es necesario eliminar previamente por medios químicos la mayor cantidad de compuestos productores de incrustación. Esto debe hacerse para reducir el depósito en los evaporadores y para evitar la acción de los constituyentes incrustantes que puedan entrar a las calderas. Proceso de la cal sodada. Este es el método químico más importante para el ablandamiento del agua. En este proceso las sales solubles se transforman químicamente en compuestos insolubles, que son en parte precipitados y en parte filtrados. Generalmente es necesario agregar los reactivos, uno para eliminar la dureza temporal provocada por el carbonato ácido de calcio y a las sales de magnesio, y el otro reactivo, para eliminar la dureza permanente originada por el sulfato de calcio. En pequeña escala, los bicarbonatos solubles pueden eliminarse agregando amoníaco o hidróxido de sodio. La reacción que ocurre al agregar el hidróxido es: un mol de bicarbonato reacciona con dos moles de hidróxido de sodio produciendo un mol de carbonato de calcio más un mol de carbonato de sodio y dos moles de agua. Ca(HCO3)2 + 2 NaOH CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O. La reacción que ocurre al agregar el amoníaco es: un mol de bicarbonato de calcio reacciona con dos moles de hidróxido de amonio produciendo un mol de carbonato de calcio, más un mol de carbonato de amonio y dos moles de agua. Ca(HCO3)2 + 2 NH4OH CaCO3 + (NH4)2CO3 + 2 H2O. Para eliminar la dureza temporal y la permanente se puede utilizar jabón. La dureza generada por el carbonato de magnesio no puede eliminarse por calentamiento debido a que no precipita completamente porque es ligeramente soluble. En el proceso de la cal sodada se agrega al agua una suspensión lechosa de cal (hidróxido de calcio) en cantidad necesaria junto con una cantidad de solución de carbonato sódico. La reacción que ocurre al agregar la cal es: un mol de hidróxido de calcio reacciona con un mol de carbonato ácido para producir dos moles de carbonato de calcio que precipita y dos moles de agua. Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2 CaCO3 + 2 H2O. La reacción que ocurre entre la cal y el bicarbonato de magnesio es: un mol de carbonato ácido de magnesio con dos moles de hidróxido de calcio produce dos moles de carbonato de magnesio que precipita, más dos moles de hidróxido de magnesio y dos moles de agua. 2 Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 2 MgCO3 + 2 H2O. La reacción con el sulfato es: un mol de sulfato de magnesio reacciona con un mol de hidróxido de calcio para producir un mol de hidróxido de magnesio que precipita y un mol de sulfato de calcio que genera dureza permanente. MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4. Puede observarse que el hidróxido de calcio elimina los bicarbonatos solubles de calcio y de magnesio completamente, pero la dureza originada por el bicarbonato de magnesio produce un equivalente de sulfato de calcio. La dureza permanente del agua debida a la presencia del sulfato de calcio se elimina con la adición de carbonato de sodio y la reacción que ocurre es: un mol de sulfato de sodio reacciona con un mol de carbonato de sodio para producir un mol de carbonato de calcio que precipita y dos moles de sulfato de sodio. Agregando un exceso de carbonato de sodio del necesario teóricamente se logra la eliminación más rápida y de manera más completa la dureza permanente del agua. CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4. Modificaciones al proceso de la cal sodada. La eficacia del proceso de la cal sodada puede mejorarse de manera considerable si se agrega una pequeña cantidad de aluminato sódico. Al entrar en solución el aluminato de sodio se hidroliza produciendo hidróxido de sodio (NaAlO2) e hidróxido alumínico coloidal [Al(OH)3]. Como el hidróxido de sodio elimina un equivalente de la dureza temporal generada por el bicarbonato de calcio o un equivalente de bicarbonato de magnesio el empleo del aluminato de sodio permite reducir la cantidad requerida de hidróxido de calcio. La ecuación de la hidrólisis del aluminato de sodio es: un mol de aluminato de sodio reacciona con dos moles de agua para establecerse un equilibrio con un mol de hidróxido de sodio y un mol de hidróxido de aluminio. NaAlO2 + 2 H2O + NaOH + Al(OH)3. Luego el hidróxido de sodio formado reacciona eliminando la dureza generada por el bicarbonato de sodio de acuerdo a la ecuación: un mol de carbonato ácido de calcio reacciona con dos moles de hidróxido de sodio para producir un mol de carbonato de calcio, más un mol de carbonato de sodio y dos moles de agua. Ca(HCO3)2 + 2 NaOH CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O. El sulfato de magnesio reacciona con dos moles de hidróxido de sodio para producir un mol de hidróxido de magnesio y un mol de sulfato de sodio. MgSO4 + 2 NaOH Mg(OH)2 + Na2SO4. El sulfato de calcio reacciona con un mol de carbonato de sodio para producir un mol de carbonato de calcio y un mol de sulfato de sodio. CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4. A medida que reacciona y se consume el hidróxido de sodio (producido por la hidrólisis del aluminato de sodio) al eliminar el bicarbonato de calcio y de las sales de magnesio sigue ocurriendo la hidrólisis del aluminato de sodio. Al observar las reacciones que ocurren como consecuencia de la hidrólisis del aluminato de sodio se puede dar cuenta de la utilidad del uso del aluminato de sodio al ablandar el agua y acelerar el proceso de precipitación, haciendo más eficiente y rápida la eliminación del hidróxido de magnesio. La precipitación se lleva a cabo en dos etapas: primero la condensación de iones para formar núcleos de dimensiones coloidales y en la segunda etapa la condensación de iones con núcleos coloidales o la condensación de núcleos con núcleos para formar partículas de tamaño suficiente para que puedan sedimentar. Tanto el carbonato de calcio como el hidróxido de magnesio en suspensión coloidal están formadas por partículas cargadas positivamente, pero mientras que el carbonato de calcio es casi anhidro coagula y precipita rápidamente el hidróxido de magnesio coloidal está hidratado entonces no coagula fácilmente y por lo tanto precipita lentamente. Como el hidróxido de aluminio producido por la hidrólisis del aluminato de sodio está formado por partículas coloidales cargadas negativamente, la coagulación del hidróxido de magnesio coloidal tiene lugar, probablemente, por la neutralización de las cargas positivas y negativas de los coloides. En condiciones de laboratorio es más eficiente el efecto del aluminato de sodio si se agrega después del hidróxido de calcio y del carbonato de sodio, pero a gran escala el aluminato de sodio se agrega preferentemente a los reactivos en el depósito de almacenamiento, de tal manera que la mezcla ablandadora se prepara añadiendo primero el aluminato de sodio, luego el hidróxido de sodio y finalmente de sodio. Este procedimiento origina la formación de un precipitado de aluminato cálcico hidratado y de una solución que contiene hidróxido de sodio y exceso de hidróxido de calcio o de hidróxido de sodio. Cuando esta mezcla se agrega al agua dura, el carbonato de calcio y el hidróxido de magnesio se precipitan rápidamente y las concentraciones de hidróxido de sodio y carbonato de sodio o de hidróxido de calcio disminuyen rápidamente, mientras que el aluminato de sodio se hidroliza produciendo hidróxido de aluminio coloidal que actúa sobre el hidróxido de magnesio residual coagulándolo. Ablandamiento del agua con carbonato bárico y cal. Esta modificación al proceso de la cal sodada se utiliza tanto para ablandar el agua como para reducir la cantidad de sólidos disueltos. En este proceso la dureza temporal y las sales de magnesio se eliminan por la acción de la cal. La reacción que ocurre es: un mol de carbonato de bario reacciona con un mol de sulfato de calcio para producir un mol de carbonato de calcio y un mol de sulfato de bario los cuales son insolubles y precipitan. Cuando se utiliza el carbonato de sodio pasa a la solución un equivalente de sulfato de sodio correspondiente al sulfato de calcio eliminado. Ablandamiento del agua por zeolitas. La palabra zeolita se aplica a un grupo de minerales que son esencialmente silicatos hidratados de aluminio, calcio, sodio, potasio o hierro. Las zeolitas que se utilizan para el ablandamiento de aguas son las de silicatos de aluminio y sodio, tanto naturales (natrolita y analcina) como sintéticas que tienen la propiedad de poder cambiar sus bases. Los iones aluminio y potasio sustituyen al ion silicio. El ión aluminio toma el lugar del ión silicio en el centro de un tetraedro del ión silicato y el ion potasio (que es monovalente) se coloca en algún lugar cercano en un orificio de la estructura cristalina. En la natrolita tiene la fórmula Na2(Al2Si3O10)*2H2O y las zeolitas se caracterizan por tener una estructura porosa a través de la cual puede pasar la molécula de agua con relativa facilidad. http://www.agrosolar.org/ http://javierpancorbo.blogspot.mx/2011/ La zeolita natural se obtiene a partir de la glaucomita, un filosilicato de fórmula (K,Na)(Fe3+, Al, Mg) Si,Al)4O10(OH)2, que es un silicato amorfo hidratado de hierro y potasio que casi siempre contiene calcio y magnesio. Las zeolitas naturales no son muy reactivas comúnmente pero son más estables que las sintéticas. El uso principal de las zeolitas es en el ablandamiento de las aguas duras ya que ciertos iones como el calcio y el magnesio son perjudiciales en el agua, pues forman precipitados insolubles en el agua con los jabones. Cuando el agua que contiene disueltas las sales de calcio o de magnesio pasa lentamente a través de un lecho de zeolita de sodio insoluble triturada, los iones de calcio y de magnesio en solución tienden a ser atraídos por el mineral, y los iones potasio o sodio se desprenden de la zeolita y se intercambian por el ión calcio o el ión magnesio. A este proceso se le conoce como intercambio iónico. De esta manera la zeolita de sodio se convierte, gradualmente, en una zeolita insoluble de calcio y magnesio, mientras que el agua contiene los iones sodio en cantidad equivalente a los iones de calcio y magnesio que han sido eliminados. La zeolita inactiva puede regenerarse lavando el lecho con una solución concentrada de cloruro de sodio. De esta manera la zeolita puede volverse a utilizar para eliminar los iones de calcio y magnesio. la zeolita puede utilizarse casi indefinidamente alternando el uso y la regeneración con la solución de cloruro de sodio y el lavado. Siempre hay que reponer una cierta cantidad de zeolita ya que se desintegra cierta cantidad, especialmente si se utiliza agua caliente o si se deja que la zeolita se agote demasiado antes de la regeneración. Este método sirve para eliminar dureza del agua y los constituyentes formadores de incrustaciones pero no reduce la cantidad total de sólidos disueltos, puesto que se forman carbonato y sulfato de sodio equivalentes a las sales productoras de dureza eliminadas. Entre las resinas de intercambio iónico está la polimerización fenol-formaldehído en la que el ácido fenolsulfónico sustituye parte del fenol. El polímero resultante contiene grupos ácido sulfónico – (HSO3 ) a lo largo de la cadena y puede actuar como resina de intercambio iónico. Utilizándola – junto con una resina que intercambie iones OH por iones negativos tales como los cloruros, + carbonatos y bromuros se pueden eliminar sales del agua. Es decir, El intercambiador de iones H elimina a los iones como sodio, potasio, magnesio, calcio, hierro y libera iones hidrógeno en el agua, mientras que el otro elimina los iones como cloruros, sulfatos y carbonatos. Las resinas sintéticas del tipo fenol-formaldehído pueden absorber cationes de las soluciones acuosas diluidas y tener propiedades cambiadoras de hidróxidos. Las resinas más eficaces de este tipo se preparan condensando fenoles polihídricos, tales como el resorcinol, pirogalol, ácido tánico, ácido gálico con formaldehído. Su actividad se incrementa calentando el fenol con sulfato de sodio acuoso durante varias horas antes de la condensación. Las resinas sintéticas básicas preparadas a partir de la m-fenilendiamina y compuestos similares pueden absorber aniones como el ión cloruro después de activarlas por tratamiento con álcalis. Con el empleo consecutivo de estos dos tipos de resinas puede eliminarse del agua tanto los radicales alcalinos como los ácidos e incluso el agua de mar puede purificarse casi como si fuera agua destilada. La zeocarb es una sustancia de este tipo y se obtiene tratando carbón o lignito con ácido sulfúrico fumante, ácido clorosulfónico o anhídrido sulfúrico. Presenta propiedades como las de las zeolitas de intercambio normal de álcalis, y el ión hidrógeno de la resina puede intercambiarse por otros cationes, de tal manera que los sólidos totales se pueden eliminar del agua. La regeneración de estas sustancias y de las resinas sintéticas se completa por tratamiento con salmuera y ácido sulfúrico. Desalinización del agua. Al procedimiento utilizado para eliminarle al agua de mar las sales o a las aguas salobres se le conoce con el nombre de desalinización o desalazón o desalinación del agua. El agua de mar es inadecuada para el consumo humano y para otros muchos usos debido a su elevado contenido de sales. En muchos países está reglamentado el contenido máximo de sales en el agua de consumo humano y debe ser menor de 500 ppm (partes por millón). El agua de mar generalmente constituye una fuente de abasto abundante de agua dulce y el reto principal es el de producir suficiente agua dulce a partir del agua de mar (desalazón o desalinización) mediante un proceso económicamente viable. Cabe recordar que la evaporación del agua de mar y la subsecuente condensación constituye el proceso natural de desalazón del agua de mar. El agua de mar contiene, en promedio, una salinidad de 35 gramos de sal/kilogramo de agua y no es apropiada para beber, para la irrigación y para usos industriales (por su gran tendencia a corroer los metales). Se considera apropiada para el consumo humano con una salinidad máxima de 1 g/kg y para fines agrícolas de un máximo de 2 g/kg. En procesos industriales de enfriamiento se considera que puede ser apropiada una salinidad con límites máximos de 2g/kg tomando en cuenta los daños por incrustación y por corrosión. Existen dos métodos de desalazón del agua de mar, el que considera que el agua puede eliminarse como producto del agua de mar y el que las sales pueden eliminarse lo suficiente para que quede agua como producto. Los procesos que involucran la eliminación del agua como producto son la destilación, la congelación y la ósmosis inversa. Los procesos que involucran la eliminación de sales son el intercambio iónico y la electrodiálisis. En todos los métodos utilizados para la desalazón del agua de mar se requiere del consumo de energía que implica la consideración de los aspectos económicos. Para seleccionar el método de desalinización que se vaya a utilizar se requiere tomar en cuenta la forma de energía disponible en el lugar, o su transporte a dicho lugar y la escala de operación. Por ejemplo, en sitios donde el clima sea frío el método de congelación resulta favorable y en sitios calurosos y se disponga de petróleo o algún combustible el proceso de destilación resulta más favorable. El método de destilación simple del agua de mar para obtener agua pura como producto de la condensación es sencillo pero muy costoso y sin embargo, se ha utilizado a bordo de barcos y en laboratorios durante mucho tiempo. Los alambiques solares, inventados para utilizarse en los botes salvavidas durante la Segunda guerra Mundial, se han adaptado para países con condiciones desérticas como Israel. El método de destilación no se considera económicamente operable a gran escala. En el proceso de destilación simple consiste en calentar la solución salina hasta su temperatura de ebullición (la cual es mayor que la del agua pura) y luego condensar el agua destilada. El calor que se requiere para elevar la temperatura del agua hasta alcanzar el punto de ebullición y el calor latente de vaporización que se necesita para pasar al líquido a vapor, teóricamente (principio de conservación de la energía), son recuperables cuando el agua destilada se condensa y se enfría, pero en la práctica no se pueden recuperar completamente. Si se pudiera aplicar, prácticamente, el principio de conservación de la energía se podría utilizar un sistema de destiladores en serie, para aprovechar la energía calorífica liberada en un destilador por condensación y enfriamiento para calentar la solución que se va alimentando a un siguiente destilador. Aplicar el método de destilación para eliminar las sales del agua de mar al hacerlo a gran escala presenta problemas como el que al destilar el agua de mar, el agua del evaporador va incrementando su concentración a medida que se va evaporando el agua y llega el momento en el que se precipita la sal. Otra consideración práctica que debe tomarse en cuenta para utilizar la energía calorífica en procesos a gran escala, es que el vapor de agua tiene una temperatura menor que la temperatura de ebullición del agua de mar. Sin embargo, esto se puede resolver si se hace disminuir la temperatura de ebullición del agua de mar mediante la reducción de la presión en el destilador, con lo cual disminuye la temperatura de ebullición de la solución (agua de mar). En el proceso de evaporación instantánea de etapas múltiples se basa en el principio de abatimiento del punto de ebullición del agua de mar mediante la reducción de la presión del sistema. En este proceso el agua de mar se inyecta a un evaporador que se encuentra a una presión muy por debajo de la correspondiente al punto de ebullición, en estas condiciones el agua mar se evapora instantáneamente, en tanto que el resto pasa a una etapa subsecuente que se encuentra a una presión todavía más baja. La tubería que conduce el agua de mar precalentada por contacto con las etapas de evaporación subsecuentes que se utilizan como un serpentín condensador. En una tercera etapa del proceso de destilación múltiple se evapora el agua de mar por contacto con el calor proveniente de la compresión del vapor de agua en las últimas etapas del proceso. Para la desalinización del agua de mar se han utilizado dos procesos de congelación. En el primero, el agua de mar se congela directamente a su punto de congelación el cual es abatido por la cantidad de soluto en solución. Si este proceso se lleva a cabo lentamente (en condiciones de casi equilibrio), el agua pura se congela casi sin que quede salmuera ocluida en el agua. Como el proceso de congelación del agua pura como hielo y el proceso subsiguiente de fusión del agua son opuestos a los procesos de destilación/condensación, en este procedimiento se busca también aprovechar al máximo la energía calorífica haciéndolo un proceso de efectos múltiples. http://noti.hebreos.net/enlinea/2011/05/30/8035/ En Israel construirán la planta desalinizadora más grande del mundo en Soreq, cerca de Ashdod. El agua desalada representará el 65% del consumo doméstico. Además proveerá con una producción anual de 150 millones de metros cúbicos de agua a través de un proceso de ósmosis inversa. Empezará a funcionar en 2013. El segundo método de congelación del agua de mar se emplea el butano como un líquido refrigerante volátil e inmiscible, el cual en su evaporación rápida extrae suficiente energía calorífica del agua de mar para formar hielo, el cual puede ser separado del butano cuando se funde ya que son inmiscibles. Teóricamente, el proceso de congelación tiene ciertas ventajas en cuanto a que el calor latente de fusión es mucho menor que el calor latente de vaporización y, a bajas temperaturas, los problemas de incrustación son mínimos. Por otra parte, se han encontrado muchas dificultades en la separación del agua pura de la nieve. Los procesos de ósmosis inversa, el intercambio iónico y la electrodiálisis se utilizan con éxito en agua de baja salinidad (salobre) y en aguas residuales pero no es eficiente para el agua de mar. El punto crucial de la ósmosis inversa es la membrana ya que debe ser suficientemente resistente y porosa, la de mayor uso es la de acetato de celulosa. Actualmente todos los procesos de purificación del agua a gran escala son muy costosos y se abaratarán en la medida en que sean menos costosos los métodos de obtención de energía. http://perso.orange.es/activador/depurado.htm Elaborado por: Ramón Tamayo Ortega Octubre de 2013