TRATAMIENTO

DE EFLUENTES

INDUSTRIALES

Eliminación de solidos• Las partículas sólidas relativamente grandes son removidas del

agua por simple sedimentación y filtración. La eliminación de solidos coloidales del agua normalmente requiere de una coagulación. Las sales de aluminio y de hierro son coagulantes usados más a menudo en el tratamiento de agua.

• De estos, alumbre o alumbre de filtro es el que se usa más comúnmente. Esta sustancia es un sulfato de aluminio hidratado, Al2 (SO4)3.18H2O. Cuando esta sal se añade al agua, el

ion aluminio se hidroliza por reacciones que consumen la alcalinidad en el agua, tales como:

• El hidróxido gelatinoso así formado arrastra consigo material en suspensión al sedimentarse. Además, es probable que se formen dímeros unidos por puentes de hidroxilos y cargados positivamente, tales como:

(H2O)3Al Al(H2O

H|

O

O|

H

• Y los polímeros superiores que interactúan específicamente con las partículas coloidales, provocan la coagulación.

• El silicato de sodio parcialmente neutralizado por ácido ayuda a la coagulación, particularmente cuando se usa con alumbre.

• Los iones metálicos de los coagulantes también reaccionan con las proteínas de los virus y las degradan en el agua.

• El sulfato de hierro (III)

anhidro añadido al agua

forma el hidróxido de

hierro (III) en una reacción

análoga a la del sulfato de

aluminio. Una ventaja del

sulfato de hierro (III) es

que funciona en un

amplio intervalo de pH, de

aproxim. entre 4 y 11.

• El sulfato de hierro (II) hidratado o caparrosa, FeSO4.7H2O, también se usa normalmente como coagulante. Forma un precipitado gelatinoso de óxido de hierro (III) hidratado; en su acción como coagulante, el Fe (II) tiene que oxidarse a hierro (III) por su reacción con el oxígeno disuelto en el agua a un pH superior a 4.5, o con el cloro, que puede oxidar el hierro (II) a valores más bajos de pH.

• Los polielectrolitos naturales y sintéticos se usan en

la floculación de partículas.

• Entre los compuestos naturales usados están el

almidón y los derivados de la celulosa, materiales

proteicos y gomas compuestas por polisacáridos.

Más recientemente han comenzado a usarse

determinados polímeros sintéticos, como son

polímeros neutros y polielectrolitos aniónicos y

catiónicos, los cuales son floculantes eficaces.

• La coagulación-filtración es un procedimiento mucho más eficaz que la filtración sola para la eliminación del material suspendido en el agua.

• El proceso consiste en la adición de coagulantes que agregan a las partículas en otras de mayor tamaño, seguida por la filtración. Tanto el alumbre como la cal, a menudo adicionando polielectrolitos, se emplean más comúnmente para la coagulación.

• La etapa de filtración en el proceso de coagulación-filtración normalmente se realiza en un sustrato, como arena, gravilla, grava o carbón de antracita.

• A menudo, para reducir la obstrucción, se usan varios medios con espacios intersticiales progresivamente menores.

• Un ejemplo es el filtro rápido de arena que consiste en una capa de arena sostenida por las de partículas de gravilla, cuyas partículas son progresivamente de mayor tamaño al aumentar la profundidad.

• La sustancia que realmente filtra el agua es el

material coagulado que se retiene en la arena. Según

se elimina más material, el aumento del mismo

eventualmente obstruye el filtro y debe ser extraído

por contraflujo.

• Una clase importante de solidos que deben ser

eliminado del agua residual consiste en solidos

suspendidos en el efluente secundario y que

proviene principalmente del lodo que no fue

removido en el proceso de sedimentación.

• Estos solidos dan cuenta de una gran parte de la DBO en el

efluente y pueden interferir en otro aspecto del tratamiento

terciario de aguas residuales, como la obstrucción de la

membranas en los proceso de tratamiento de agua por

osmosis inversa.

• La cantidad de material involucrada en este proceso puede ser

bastante alta. Los procesos diseñados para remover lo solidos

suspendidos a menudo eliminan 10-20 mg/L de material

orgánico del efluente secundario del agua residual.

Adicionalmente se elimina una pequeña cantidad de material

inorgánico.

• La filtración a través de membranas bajo

presión es un medio especialmente eficaz de

eliminar solidos e impurezas del agua.

• El agua purificada que pasa por una membrana

es la fase permeada y la cantidad menor de

material que no pasa por la membrana es la fase

retenida.

PROCESOS DE FILTRACION POR MEMBRANAS

• Las membranas normalmente operan con

aperturas menores, se excluyen partículas

menores e incluso moléculas e iones, pero se

requieren presiones superiores y se consume

más energía.

• En orden decreciente de tamaño de los poros,

los procesos más comunes de membranas son

la microfiltración > la ultrafiltración > la

nanofiltración > y la hiperfiltración.

• Las membranas de microfiltración tienen poros de 0.1-2 de tamaño y los otros procesos usan membranas con poros progresivamente menores.

• En la tabla se resumen los principales tipos de procesos de membranas y sus usos, mientras que la osmosis inversa se discute posteriormente.

Proceso Presión, atm Contaminantes removidos

Microfiltración < 5 Sólidos suspendidos, componentes emulsionados, bacterias, protozoos

Ultrafiltración 2 - 8Macromoléculas con masas molares entre 5,000 y 100,000

(en función del tamaño de poro)

Nanofiltración 5-15 Moléculas con masas molares entre de 200 y 500 (en función del tamaño del poro)

Hiperfiltración 15-100

La mayoría de los solutos e iones; el agua salobre requiere presiones de ósmosis inversa de hasta 15 bar; la desalinización del agua de mar requiere presiones de hasta 100 bar.

• Un problema común a todos los procesos de membrana es el planteado por la fase retenida, que concentra las sustancias que son eliminadas del agua.

• En algunos casos, este material puede descargarse con las aguas residuales y la fase retenida, como es el caso de la desalinización del agua de mar por osmosis inversa, donde puede retornarse al mar diluyéndola antes con la propia agua de mar para no dañar a los organismos con las elevadas concentraciones de sales, si estas se descargan puntualmente.

• Otras opciones que dependen de la fuente del agua

tratada, incluyen la evaporación del agua y la

incineración del residuo, la recuperación de material

de algunas aguas residuales industriales y la

evacuación en acuíferos profundos de agua salina.

• Las sales de calcio y magnesio, que generalmente están presentes en el agua como bicarbonatos o sulfatos, originan la dureza del agua.

• Una de las manifestaciones más comunes de la dureza del agua son los “grumos” insolubles que se forman por la reacción del jabón con los iones de calcio y magnesio.

Remoción de calcio y otros metales

• Aunque los iones que causan la dureza del agua no forman productos insolubles con los detergentes, si afectan adversamente su rendimiento.

• Por consiguiente, el calcio y el magnesio deben ser eliminados del agua formando complejos para que los detergentes funcionen adecuadamente.

• Otro problema causado por el agua dura es la formación de depósitos minerales. Por ejemplo, cuando se calienta agua que contiene calcio, así como iones bicarbonato, se forma carbonato de calcio insoluble:

• Este producto cubre las superficies de los sistemas de agua caliente, obstruyendo las cañerías y reduciendo la eficiencia de calentamiento

• Las sales disueltas como los bicarbonatos y los sulfatos

de calcio y de magnesio, pueden ser especialmente

dañinas en el agua de alimentación de las calderas.

Obviamente, la eliminación de la dureza del agua es

esencial para muchos de sus usos.

• Se usan varios procesos para ablandar el agua. A gran

escala, como en las operaciones de ablandamiento del

agua a nivel de comunidades, se usa el proceso de

“soda”-cal.

• Este proceso involucra el tratamiento del agua con

cal, Ca(OH)2 y “soda”, Na2CO3. El calcio precipita

como CaCO3 y el magnesio como Mg(OH)2. Cuando

el calcio está presente únicamente como “dureza de

bicarbonato”, puede removerse por la sola adición

de Ca(OH)2:

• Cuando el ion bicarbonato no está presente a niveles sustanciales, debe suplirse una fuente de a un pH suficientemente alto como para prevenir la conversión de la mayor parte del carbonato en bicarbonato.

• Estas condiciones se obtienen por la adición de

Na2CO3. Por ejemplo, el calcio presente como

cloruro puede ser removido del agua por adición de carbonato de sodio:

+ 2 Na+1 + CO3+2 ++ 2 Na+1

• Debe notarse que la eliminación de la dureza de bicarbonato da

como resultado, a su vez, una remoción neta de sales solubles

de la disolución, mientras que la eliminación de la dureza que

no es de bicarbonato involucra la adición de por lo menos

tantos equivalentes de material iónico, como los que se

eliminan.

• La precipitación del magnesio como hidróxido requiere un pH

superior que la precipitación del calcio como carbonato:

Mg+2 +2OH-1 Mg(OH)2 (s)

• El alto pH requerido puede ser proporcionado por el ión básico del carbonato de sodio:

CO3+2+ +OH-1

• Algunas plantas de ablandamiento a gran escala con procesos de “soda”-cal hacen uso del carbonato de calcio que precipita como una fuente adicional de cal. El carbonato de calcio se calienta primero a, por lo menos, 425ºC, para producir la cal viva, CaO:

+ Calor CaO + CO2 (g)

• La cal viva es entonces “apagada” con agua para producir hidróxido de calcio:

CaO + Ca(OH)2

• El agua ablandada por las pantas de ablandamiento con “soda”-cal usualmente tiene dos defectos. Primero, debido a efectos de sobresaturación, parte del CaCo3, y de Mg(OH)2 normalmente permanecen en solución.

• Si no se eliminan, estos compuestos precipitaran posteriormente y causaran depósitos dañinos o enturbiamientos indeseables en el agua.

• El segundo problema resulta del uso de carbonato de sodio muy básico que da al agua un pH excesivamente alto, valores de pH de hasta 11.

• Para superar estos problemas, el agua debe recarbonatarse

burbujeando CO2 en ella. El CO2 convierte al carbonato de calcio y al

hidróxido de magnesio ligeramente solubles a sus formas solubles de

bicarbonato:

+ CO2 + +

Mg(OH)2 (s) + 2 CO2 +

• El CO2 también neutraliza el exceso de ion hidróxido:

OH-1 + CO2

• El pH generalmente se lleva al intervalo de 7.5-8.5 por la

recarbonatación.

• La fuente de CO2 usada en los procesos de

recarbonatación puede prevenir de la quema de

combustible carbonoso. Frecuentemente se utiliza el

gas de chimenea purificado de una planta térmica.

• El agua ajustada al pH, alcalinidad y concentración

de Ca2+ cercanos a los de saturación de CaCO3 se

denomina agua químicamente estabilizada.

Con esta agua, no hay precipitación de CaCO3 en las

cañerías de agua.

• Esta estabilización evita la obstrucción de las cañerías e

impide la disolución de las capas protectoras de CaCO3

de las superficies de las cañerías evitando la corrosión de los tubos de concreto.

• El agua con concentración de Ca2+ muy por debajo de la

saturación de CaCO3 se llama agua agresiva.

• El calcio puede removerse muy eficazmente del agua por la adición de ortofosfato:

+ 3PO4-3 + OH-1 Ca5OH(PO4)3 (s)

• Debe señalarse que la formación química de un producto muy poco soluble, debido a la eliminación de solutos indeseables como los iones responsables de la dureza, el fosfato, el hierro y el manganeso, debe ser seguida por la sedimentación en un dispositivo adecuado.

• Frecuentemente, para la remoción completa de estos sedimentos deben agregarse coagulantes y emplear la filtración.

• El agua puede purificarse por intercambio iónico, o sea, la transferencia reversible de iones entre la solución acuosa y un material sólido capaz de enlazarse con los iones.

• La eliminación de NaCl de una disolución por medio de dos reacciones de intercambio iónico, es una buena ilustración de este proceso.

• Primero el agua se pasa por un intercambiador sólido catiónico en su forma de ion hidrogeno, representado por H+ - Cat(s)

H+ - Cat(s) + Na+1 +Cl-1 Na+ - Cat(s) +H+1 + Cl-1

• Luego, el agua se pasa por un intercambiador aniónico en forma de ión hidroxilo, representado por OH+- An(s)

OH+ - An(s) +H+1 + Cl-1 Cl+ - An(s) + H2O

• Así, los cationes en la solución son reemplazados por el ión hidrógeno y los aniones por el ión hidroxilo y se obtiene agua como producto.

• El ablandamiento del agua por intercambio iónico no requiere la eliminación de todos los solutos iónicos, sólo de los cationes responsables por la dureza del agua.

• Por consiguiente, generalmente solo es necesario un intercambiador de cationes.

• Además, se usa la forma de sodio en lugar de la forma de hidrógeno del intercambiador de cationes, de forma que los cationes divalentes sean reemplazados por iones de sodio.

• A bajas concentraciones los iones de sodio son inocuos en el agua para la mayoría de los propósitos y el cloruro de sodio es una sustancia barata y conveniente para recargar los intercambiadores catiónicos.

• Existen varios minerales con propiedades de intercambio iónico. Entre los minerales especialmente notables por sus propiedades de intercambio esta el silicato de aluminio o zeolitas.

K2(MgFe)2 A l6 (Si4O10)3 (OH)12

• Las zeolitas sintéticas se preparan secando y moliendo el gel blanco que se produce al mezclar soluciones de silicato de sodio y aluminato de sodio.

• Cuando el grupo funcional que se enlaza con el catión es el grupo–C, la resina de intercambio se llama un intercambiador catiónico débilmente

ácido, porque el grupo de –CO2 -H es un ácido

débil.

• En la figura 1 se muestra un intercambiador aniónico fuertemente básico, en que el grupo funcional es un grupo de amonio cuaternario, -N+ (CH3)3.

• En la forma de hidróxido, -N+ (CH3)3OH-, el ion hidroxilo se libera fácilmente, por lo que el intercambiador se clasifica como fuertemente básico.

• Fig.1 Intercambiador anionico fuertemente básico. Se muestra el intercambio del ion cloruro por el hidróxido

• El ablandamiento del agua por intercambio de

cationes es ahora un proceso ampliamente usado,

eficaz y barato.

• Sin embargo, en muchas áreas que tienen un flujo

bajo de agua, no es probable que el ablandamiento

por intercambio iónico del agua para uso doméstico

pueda usarse extensamente sin algún deterioro de la

calidad del agua, proveniente de la contaminación del

agua residual por cloruro de sodio.

• Esta contaminación es el resultado de la necesidad

periódica de regenerar el ablandador de agua con

NaCl para desplazar los iones calcio y magnesio de la

resina y sustituirlos por iones sodio:

 

Ca+2 - Cat(s)2 + 2 Na+1 +2Cl-1

2 Na+ - Cat(s) +Ca+2 + 2Cl-1

• Durante el proceso de regeneración, debe usarse un exceso grande de cloruro de sodio – varios kilogramos (libras) para un ablandador domestico de agua.

• Ello hace que puedan introducirse cantidades apreciables de cloruro de sodio disuelto en las aguas residuales por esta vía.

• Los intercambiadores catiónicos fuertemente ácidos se usan para la remoción de la dureza del agua.

• La alcalinidad se manifiesta generalmente por la presencia de ión bicarbonato, una especie que es una base suficientemente fuerte para neutralizar el ácido de un intercambiador catiónico débilmente ácido.

2 R-CO2H + Ca+2 +

(R-CO2 -1)2 Ca+2 + 2 H2O + 2 CO2

• Sin embargo, las bases débiles como el ión sulfato o ion cloruro no son bastantes fuertes para eliminar el ión hidrógeno del intercambiador de ácido carboxílico.

• Una ventaja adicional de estos intercambiadores es que pueden regenerarse casi estequiométricamente con ácidos fuertes diluidos, evitando así el problema de contaminación potencial causado por el uso de NaCl en exceso para regenerar los intercambiadores catiónicos fuertemente ácidos.

• La quelación o el secuestro, es un método eficaz de ablandar agua sin tener que eliminar realmente los iones calcio y magnesio de la solución.

Eliminación de hierro y manganeso

• El hierro y el manganeso solubles se encuentran en muchas aguas subterráneas debido a las condiciones reductoras que favorecen el estado de oxidación +2, soluble, de estos metales.

• El hierro, es de los dos metales, el que se encuentra más comúnmente.

En el agua subterránea el nivel del hierro raramente excede

10 mg/L y el manganeso es raramente superior a 2mg/L.

• El método básico para eliminar estos dos metales depende de su oxidación a estados de oxidación superiores insolubles, lo cual se consigue generalmente por aireación o aeración.

• El cloro y el permanganato de potasio se emplean a veces como agentes oxidantes para el hierro y el manganeso.

• Hay evidencias que indican que los agentes quelantes orgánicos con propiedades reductoras mantienen al hierro en una forma soluble en el agua.

• En tales casos, el cloro es eficaz porque destruye los compuestos orgánicos y permite la oxidación del hierro.

• Frecuentemente, se encuentran niveles relativamente altos de hierro y manganeso insolubles en el agua como material coloidal, que son difíciles de eliminar.

• Estos metales pueden estar asociados con coloides húmicos o con material orgánico “peptizante” (proteínico o de derivados de proteínas, p. ej., aminoácidos), que se unen a óxidos metálicos coloidales, estabilizando el coloide.

• Metales pesados como cobre, cadmio, mercurio y plomo se encuentran en las aguas residuales de varios procesos industriales y, debido a su toxicidad, sus concentraciones deben reducirse a niveles muy bajos antes de ser descargados a las aguas residuales. Se usan varias estrategias para la remoción de los metales pesados.

• El tratamiento con cal, discutido antes en esta sección para la eliminación del calcio, precipita los metales pesados como hidróxidos insolubles, sales básicas o coprecipitados con el carbonato de calcio o el hidróxido de hierro.

• Este proceso no remueve completamente el mercurio, el cadmio y el plomo, por lo que su eliminación debe ayudarse con la adición de sulfuros (la mayoría de los metales pesados tienen afinidad por los sulfuros):

Cd+2 + S-2 CdS(s)

• La precipitación con cal no permite normalmente la recuperación de los metales y, a veces, es indeseable desde el punto de vista económico.

• La electrodeposición (reducción de iones metálicos a metal por electrones en un electrodo), la osmosis inversa y el intercambio iónico se emplean frecuentemente para la eliminación de metales.

• La extracción con disolventes que emplea sustancias quelantes orgánicas solubles es también eficaz en la remoción de muchos metales.

• Puede emplearse la cementación, un proceso en el cual un metal se deposita por la reacción de su ión con un metal más fácilmente oxidable:

Cu2+ + Fe (trozo de hierro) Fe2+ + Cu

• El tratamiento biológico de aguas residuales elimina eficazmente los metales de agua.

• Estos metales se acumulan en el lodo del tratamiento biológico, por lo que debe prestarse una cuidadosa atención a la evacuación, estabilización y disposición controlada del lodo.

• Varios procesos de tratamiento físico-químico eliminan eficazmente lo metales pesados de las aguas residuales.

• Uno de estos tratamientos es la precipitación con cal seguida por filtración con carbón activado o activo.

• Esta filtración también puede ser precedida por el

tratamiento con cloruro de hierro para formar un flóculo de

hidróxido de hierro, que elimina eficazmente metales

pesados.

• Similarmente al alumbre, que forma hidróxido de aluminio,

puede agregarse antes de la filtración con carbón activo,

aunque uno de los problemas de los precipitados de Al es

que no se deshidratan fácilmente y, pueden ser tóxicos

para diferentes especies, si son depositados en suelos sin

un control cuidadoso.

• Anteriormente, la remoción de los metales

pesados era un beneficio marginal de los proceso

de tratamiento de aguas residuales.

• En la actualidad, sin embargo, se está dando más

consideración a los parámetros de diseño y

operación que refuerzan específicamente la

eliminación de los metales pesados como parte

del tratamiento de las aguas residuales.

El iminación de los compuestos orgánicos disueltos

• Los compuestos orgánicos exóticos en el agua potable son sospechosos de contribuir al cáncer y otras enfermedades aun en niveles muy bajos o vestigiales.

• Los procesos de desinfección del agua que, por su naturaleza, involucran condiciones químicas bastante severas, particularmente procesos de oxidación, tienen tendencia a producir subproducto de desinfección.

• Durante el tratamiento secundario de las aguas residuales se produce o persisten una variedad de compuestos orgánicos que deben ser considerados como factores o criterios para la descarga o la reutilización del agua tratada.

• Los compuestos húmicos, debido a sus altos pesos moleculares (1000-5000) y su carácter aniónico, influyen en algunos de los aspectos físicos y químicos del tratamiento de aguas residuales.

• Los compuestos extraíbles con éter incluyen a muchos de los compuestos que son resistentes a la biodegradación y son de preocupación particular con respecto a la toxicidad potencial, carcinogenicidad y mutagenicidad.

• En los extractos con éter se encuentran muchos ácidos grasos, hidrocarburos de la clase de los n-alcanos, naftalenos, difenilmetano, difenilo, metilnaftaleno,isopropilbenceno, dodecilbenceno, fenol, ftalatos y trietilfosfatos.

• El método estándar para la remoción del material orgánico disuelto es la adsorción en carbón activo o activado, un producto que se obtiene de una variedad de materiales carbonosos que incluyen la madera, la pulpa carbonizada, la turba y el lignito.

• El carbón activado o activo se presenta en dos apariencias generales:

carbón activado granulado, que consiste en partículas de 0.1-1 mm de diámetro y

carbón activo en polvo, en el que la mayoría de las partículas tienen diámetro de 50 – 100

• El mecanismo exacto por el que el carbón activado retiene los materiales orgánicos no se conoce. Sin embargo, una razón para la efectividad de este material como adsorbente se debe a su gran área superficial.

• Un volumen de 28.4 L (un pie cúbico) de partículas

de carbón en polvo puede tener un área combinada

de poro y superficie de aproxim. 256 km2 (10 millas

cuadradas)

• Puede emplearse en un lecho fijo a través del cual fluye el agua hacia abajo. La acumulación de materia en forma de partículas requiere el lavado periódico.

• Un lecho expandido en el que las partículas se mantienen ligeramente separadas por el agua que fluye hacia arriba (flujo ascendente) puede usarse con una menor probabilidad de obstrucciones.

• El costo económico del material, exige la regeneración del carbón, lo que se logra calentándolo a 950ºC en una atmosfera de aire-vapor.

• Este proceso oxida los compuestos orgánicos adsorbidos pasándolos a la fase gaseosa y regenera la superficie del carbón, con aproxim. un 10 % de perdida.

• La eliminación de compuestos orgánicos también puede lograrse mediante polímeros sintéticos adsorbentes.

Tales polímeros, como la “Amberlita” XAD-4 tienen superficies hidrófobas y atraen fuertemente a compuestos orgánicos relativamente insolubles, como los plaguicidas clorados.

• Bajo condiciones apropiadas de operación, estos polímeros remueven virtualmente todos los solutos orgánicos no iónicos. Por ejemplo, el fenol se reduce de 250 mg/L a menos de 0.1 mg/L por un tratamiento apropiado con Amberlita XAD – 4.

• La oxidación electroquímica puede resultar efectiva en algunos casos. Los haces de electrones de alta energía producidos por los aceleradores de electrones de alto voltaje tienen también potencial para destruir los compuestos orgánicos.

Eliminación de herbicidas• Debido a su amplia aplicación y a su

persistencia, los herbicidas han demostrado ser particularmente problemáticos para la fuente de agua potable.

• Los más solubles, como los clorofenoxiésteres , son los que tienen mayor probabilidad de entrar en las fuentes de agua potable, uno de los más molestos es la atrazina, que se manifiesta a menudo por su metabolito desetilatrazina.

• El tratamiento con carbón activado o activo es el mejor medio para eliminar herbicidas y sus metabolitos de las fuentes de agua potable.

• Un problema con el carbón activo es el de la precarga, en que la materia orgánica natural en el agua (como los compuestos húmicos), satura el carbón e impide la incorporación de compuestos orgánicos contaminates, como herbicidas.

• Los pre-tratamientos para eliminar esta materia orgánica, como la floculación y la precipitación de estas sustancias húmicas, puede aumentar significativamente la eficacia del carbón activado para la remoción de herbicidas y otros compuesto orgánicos.

Remoción de compuestos inorgánicos disueltos

• Para que el reciclaje completo del agua sea factible, es esencial la eliminación de los solutos inorgánicos disueltos.

• El efluente del tratamiento secundario de aguas residuales contiene generalmente 300-400 mg/L más de material inorgánico disuelto que el suministro de agua municipal.

• Por consiguiente, es obvio que reciclar al 100% el agua sin la remoción de los compuestos inorgánicos causaría la acumulación de un nivel intolerable de material disuelto.

• Incluso cuando el agua no se destina para la reutilización inmediata, la eliminación de los nutrientes inorgánicos fósforo y nitrógeno, es muy deseable para reducir la eutrofización aguas abajo en una corriente hídrica.

• En algunos casos, la remoción de metales traza tóxicos es necesaria.

El intercambio iónico y los procesos de membrana son los medios más rentables de

remover los materiales inorgánicos del agua.

Estos procesos se discuten a continuación.

Intercambio iónico• El proceso de intercambio iónico usado para la eliminación de

compuestos inorgánicos consiste en pasar el agua sucesivamente sobre un intercambiador catiónico sólido y otro aniónico, lo que reemplaza los cationes y los aniones por el ión hidrogeno y el ion hidroxilo, respectivamente, de manera que cada equivalente de sal es reemplazado por una mol de agua.

• Para la sal iónica hipotética MX, las reacciones son las siguientes:

• Donde - Cat(s) representa el intercambiador catiónico sólido y + An(s) representa el intercambiador aniónico sólido:

H+ -Cat(s) + M+ +X- M+ -Cat(s) + H+ + X-

OH- +An(s) + H+ + X- X- +An(s) + H2O

• El intercambiador catiónico se regenera con un ácido fuerte y el aniónico con una base fuerte.

• La desmineralización por intercambio iónico produce generalmente agua de una calidad muy alta.

• Desafortunadamente, algunos compuesto orgánicos en el agua residual ensucian los intercambiadores iónicos y el crecimiento o desarrollo microbiano en ellos puede disminuir su eficiencia.

Electrodiálisis• La electrodiálisis consiste en aplicar una

corriente directa a través de un reservorio o corriente de agua, separado en capas verticales por membranas alternamente permeables a los cationes y aniones.

• Los cationes migran hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Cationes y aniones entran ambos en una capa de agua y dejan la capa adyacente.

• Así, las capas de agua enriquecidas en sales se alternan

con capas de las cuales se han eliminado o removido las

sales.

• El agua en las capas enriquecidas se recircula hasta

cierto grado, para prevenir la acumulación excesiva de

salmuera.

• En la figura se muestran los principios involucrados en el

tratamiento por electrodiálisis.

• El ensuciamiento causado por varios materiales puede

provocar problemas en el tratamiento del agua por

osmosis inversa

• Experimentos con plantas piloto indican que la

electrodiálisis tiene potencial para ser un método práctico

y económico para eliminar o remover hasta un 50% de los

compuestos inorgánicos disueltos del efluente

secundarios de las aguas residuales, después del

tratamiento previo para eliminar las sustancias que

producen ensuciamiento.

• Tal nivel de eficiencia permitiría el reciclaje repetido del

agua sin que los materiales inorgánicos disueltos alcancen

niveles inaceptables.

La osmosis inversa• La osmosis inversa es uno de los varios procesos

de membrana conducidos bajo presión, para la purificación del agua, entre los que también se incluyen la nanofiltración, la ultrafiltración y la microfiltración.

• La osmosis inversa es una técnica muy útil y bien desarrollada para la purificación y desalinización del agua.

• Como se ilustra en la figura, consiste en forzar el agua a través de una membrana semipermeable que permite el paso del agua pero no de otro material.

• Este proceso, que no es una simple separación a través de tamices o ultrafiltración, depende de la sorción preferencial del agua en la superficie de una membrana porosa de acetato de celulosa o poliamida.

• El agua pura de la capa sorbida es forzada a través de los poros en la membrana bajo presión. El diámetro óptimo del poro depende del espesor de la capa de agua pura sorbida y puede ser varias veces el diámetro de las moléculas del soluto y del disolvente

• La nanofiltración es un proceso de filtración de membrana a presión que no elimina los iones de sales monovalentes, que si lo son por la osmosis, pero puede ser eficaz en la remoción de la dureza (Ca2+) .

• La nanofiltración opera a presiones mas bajas que la osmosis inversa y requiere, por tanto, menos energía y menos gasto. Recientemente ha ganado popularidad como proceso de tratamiento de agua potable.

Eliminación del fosforo• El tratamiento avanzado de aguas residuales o

desechos líquidos requiere normalmente la remoción del fósforo para reducir el crecimiento de algas.

• Las algas pueden desarrollarse a niveles de PO43_ de

sólo 0.05 mg/L, y la inhibición de su crecimiento requiere niveles por debajo de este nivel.

• Dado que las aguas residuales municipales contienen típicamente alrededor de 25mg/L de fosfato (en forma de ortofosfatos, polifosfatos y fosfatos insolubles), la eficiencia de la eliminación del fosfato debe ser bastante alta para prevenir el crecimiento de algas.

• El tratamiento de lodo remueve cerca del 20% del fosforo de las aguas residuales. Así, como una fracción apreciable del fosforo principalmente biológico, se elimina con el lodo.

• Los detergentes y otras fuentes aportan cantidades importantes de fosforo a los efluentes residuales domésticos y una parte considerable del ion fosfato permanece en el efluente.

• Sin embargo, algunos compuestos residuales, como los carbohidratos de las plantas azucareras, son tan deficientes en fosforo que se requiere la adición de un suplemento de fosforo inorgánico al efluente residual para el desarrollo adecuado de los microorganismos que degradan estos residuos.

• Químicamente, el fosfato se elimina más comúnmente por precipitación. En la tabla se muestran algunos precipitantes comunes y sus productos.

• Los procesos de precipitación son capaces de remover por lo menos el 90 – 95% del fosforo a un costo razonable. La cal tiene como ventajas su bajo costo y la facilidad de regeneración.

PRECIPITANTE (S) PRODUCTOS

Ca(OH)2

Ca5HO(PO4)3

(hidroxiapatita)

Ca(OH)2 + NaFCa5F(PO4)3

(fluoropatita)

Al2(SO4)3 AlPO4

FeCl3 FePO4

MgSO4 MgNH4PO4

Tabla. Precipitantes químicos para el fosfato y sus productos

Remoción del nitrógeno

• Después del fosforo el nitrógeno es el nutriente de algas que se elimina más comúnmente en el tratamiento avanzado de aguas residuales.

• En la tabla se resumen las técnicas que se usan más a menudo para la remoción del nitrógeno.

• En las aguas residuales municipales generalmente el nitrógeno está presente como nitrógeno orgánico o amoniaco.

• El amoniaco es el producto primario del nitrógeno, producido por la mayoría de los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales.

Proceso Principios y condiciones

Arrastre de amoniaco por

aire

El ión es el producto inicial de la biodegradacion del residuo nitrogenado. Se remueve subiendo el pH a alrededor de 11 con cal y desprendiendo el gas amoniaco del agua por el aire en una torre de arrastre. La formacion de incrustaciones, la congelación y la contaminación atmosférica son las principales desventajas.

Intercambio de un ión amonio

La clinoptilolita, una zeolita natural, elimina selectivamente el ión amonio por intercambio iónico:Na+[-clinoptilolita] + N → N [-clinoptilolita] + Na+

El intercambiador iónico se regenera con sales de sodio o de calcio.

BiosíntesisLa producción de biomasa en el sistema de tratamiento de aguas residuales y su eliminación posterior del efluente dan lugar a una pérdida neta de nitrógeno del sistema.

Nitrificación – Desnitrificación

Este enfoque involucra la conversión de nitrógeno amoniacal a nitrato por bacterías, bajo condiciones aerobias.

2N 4H+ +2N

2N 2N seguido por la producción de nitrógeno elemental (desnitrificación):

4N4H+ 2N2(g) + 5CO2(g) + 7H2O

típicamente, la desnitrificiacion se lleva a cabo en una columna anaerobia añadiendo metanol como fuente de carbono (agente reductor microbiano)

Cloración

La reacción del ion amonio y el hipoclorito (del cloro) tiene por resultado la desnitrificación por las siguientes reacciones químicas:

N + HOCI → NH2Cl + H2O +H+

2NH2Cl + HOCI → N2(g) + 3H+ + 3 Cl- H2O

Nitrosomas

Nitrobacter

Bacteriasdesnitrificantes

• La nitrificación seguida por la desnitrificación es indiscutiblemente la técnica más eficaz para la remoción de nitrógeno de las aguas residuales.

• El primer paso es una conversión prácticamente completa de amoniaco y nitrógeno orgánico a nitrato, bajo condiciones fuertemente aerobias, que se logran por una aireación más extensa que la normal de las aguas residuales:

N

• El segundo paso es la reducción de nitratos a gas nitrógeno. Esta reacción también se cataliza por bacterias y requiere de una fuente de carbono y un

agente reductor como el metanol, CH3OH.

6NO3-1 + 5CH3OH + 6 H+1 (bacterias desnitrificantes)

3N2 (g) + 5CO2 + 12  

• El proceso de desnitrificación puede llevarse a cabo en una tanque o en una columna de carbón. En operaciones a nivel planta piloto se han logrado conversiones del 95% del amoniaco a nitrato y 86% del nitrato en nitrógeno.

LODOS• Quizás el problema de tratamiento de agua más urgente en

este momento tiene que ver con el lodo colectado o producido durante el tratamiento del agua.

• Encontrar un lugar seguro para evacuar el lodo o un uso para el mismo, es una cuestión problemática, que se agrava por el número creciente de plantas de tratamiento de agua.

• Antes de tratamiento, en las aguas residuales existe una cierta cantidad de lodo que debe segregarse.

• Este lodo incluye desechos humanos, basura molida y particulada, residuos orgánicos, barro y material particulado inorgánico procedente de la escorrentía del agua de tormentas y desechos orgánicos e inorgánicos de fuentes comerciales e industriales.

• Hay varios tipos principales de lodos generados en una planta de tratamiento de aguas residuales.

• El primero de estos es el llamado lodo primario separado al inicio del tren de tratamiento.

• Después está el lodo orgánico o biomasa de los reactores de lodos activados o lodo activo, de filtros percoladores o de reactores biológicos rotatorios.

• El tercero es el lodo inorgánico, proveniente de la adición de productos químicos, como el que se produce en la eliminación del fósforo u otras sustancias que están disueltas en el agua residual y que no son eliminadas por organismos depuradores.

• Habitualmente, todos estos lodos se someten a digestión o

degradación anaerobia en un reactor diseñado para prevenir

que ocurra la acción bacteriana en ausencia del aire.

• Esto reduce la masa y el volumen del lodo e idealmente da

lugar a la formación de un humus estabilizado y un gas rico en

metano. También se destruyen en el proceso agentes

portadores de enfermedades, como los organismos patógenos

aerobios.

• La desecación del lodo se emplea para convertirlo de un

material esencialmente líquido a un sólido húmedo que no

contiene más de aproximadamente 85% de agua. Esto puede

lograrse con lechos de secado que consiste en capas de arena

y grava.

• También pueden emplearse dispositivos mecánicos, incluso la filtración a vacío, la centrifugación y los filtración prensa. El calor, generado a lo largo del proceso de digestión, puede usarse para ayudar al poder de secado.

• Rico en nutrientes, el lodo contiene: 5% de N, 3% de P y 5% de K en peso seco, podría usarse para mejorar y acondicionar el suelo, mejora las propiedades y el CIC del suelo. El lodo de las aguas residuales es un colector eficiente de metales pesados y puede contener niveles elevados de zinc, cobre , níquel y cadmio.

• Estos y otros metales tienden a permanecer inmovilizados en

el suelo por quelación con la materia orgánica, adsorción en

minerales arcillosos y formado precipitados insolubles, tales

como óxidos o carbonatos.

• El control previo de la contaminación de metales pesados de fuentes

industriales ha reducido grandemente el contenido de estos metales en

el lodo y ha permitido que este pueda ser usado mas ampliamente en

los suelos.

• Durante el tratamiento de la corriente secundaria, el lodo se deshidrata,

estabiliza y desinfecta por una variedad de procesos, que incluyen

espesamiento por gravedad, flotación por aire disuelto, digestión o

degradación anaerobia, degradación aerobia, filtrado al vacío o con

filtro prensa, centrifugación, tratamiento con lechos de arena secante,

sedimentación en lagunas de lodos, oxidación con aire húmedo,

filtración a presión y tratamiento “Purifax”.

• Esta corriente secundaria contribuye a la demanda de oxigeno

bioquímico y a los sólidos en suspensión de la corriente

principal.

• Los lodos de alumbre tienen normalmente un 98% o más de

agua y son muy difíciles de desecar.

• También los compuestos de hierro (II) y los de hierro (III) se

usan para la remoción de impurezas de las aguas residuales

por precipitación de Fe(OH)3. El lodo contiene Fe(OH)3 en forma

de precipitado esponjoso, que es difícil de desecar más allá del

10 o el 12% en sólidos.

• El carbonato de calcio se recupera fácilmente de los lodos de

cal y puede ser recalcinado para producir CaO, que puede

reciclarse usándolo en el mismo proceso.

• Los lodos de hidróxidos metálicos se producen en la

eliminación de metales como el plomo, cromo, níquel y zinc del

agua residual aumentando el pH a tal nivel que precipiten los

hidróxidos correspondientes o los óxidos de metal hidratados.

• Los microorganismos patógenos (causantes de enfermedades)

pueden persistir en el lodo generado por el tratamiento de

aguas residuales.

• Se recomiendan varias vías para reducir significativamente los

niveles de patógenos en el lodo de las aguas residuales. La

degradación aerobia de organismos anaerobios implica la

agitación con aire del lodo por periodos de 40 a 60 días (los

tiempos más largos se emplean con temperaturas bajas del

lodo).

Desinfección del agua• El cloro es el desinfectante mas comúnmente usado

para matar las bacterias en el agua. Cuando el cloro se agrega al agua, se hidroliza rápidamente según la reacción.

Cl2 + H2O → H+ + Cl- + HOCI

• Que tiene la siguiente constante de equilibrio:

• El ácido hipocloroso, HOCI, es un ácido débil que se disocia según la reacción, con una constante de ionización de 2.7 x 10-8

HOCI → H+ + OCI-

• A veces las sales de hipoclorito sustituyen al gas cloro como desinfectante y, para ello, normalmente

se usa hipoclorito de calcio, Ca(OCI)2. Los

hipocloritos son más seguros de manipular que el cloro gaseoso.

• Las dos especies químicas formada por el cloro en el agua,

HOCI y OCI-, se conocen como cloro libre disponible.

• El cloro libre disponible es muy eficaz para matar las bacterias.

• Demasiado amoniaco en el agua es considerado indeseable

porque ejerce una demanda excesiva por el cloro.

• Para relaciones molares Cl:N suficientemente altas en aguas

que contienen y amoniaco, algo de HOCI y OCI- permanece sin

reaccionar en la solución y se forma una pequeña cantidad de

NCl3.

• La proporción Cl:N a la que esto ocurre se llama punto de

ruptura. La cloración más allá del punto de ruptura asegura la

desinfección. Tiene la ventaja adicional de destruir los

compuestos mas comunes que causan olor y sabor en el agua.

• El cloro se usa para tratar otros tipos de agua además del agua potable.

• Se emplea para desinfectar los efluentes de las pantas de tratamiento de aguas residuales, como aditivo del agua en las torres de enfriamiento de las plantas de energía eléctrica y para controlar los microorganismos en el procesado o procesamiento de alimentos.

Dióxido de cloro

• El dióxido de cloro, Cl2O, es un desinfectante eficaz

de interés particular porque, en ausencia de

impurezas de Cl2, no produce trihalometanos como

impurezas en el tratamiento del agua. En el agua ácida y neutra, respectivamente, las dos semi – reacciones

para el ClO2 actuando como oxidante son las

siguientes:

ClO2 + 4 H+ + 5e- → Cl- +2

ClO2 + e- → ClO2-1

• A valores de pH alrededor de la neutralidad, el dióxido de cloro en el agua permanece mayormente como ClO2 molecular hasta que contacta un agente reductor con el cual reaccionar.

• El dióxido de cloro es un gas que reacciona violentamente con la materia orgánica y es explosivo cuando se expone a la luz.

• Por estas razones , no se almacena ni se envía a grandes distancias, sino que se general in situ por procesos como la reacción del cloro gaseoso con el hipoclorito de sodio sólido:

2 NaClO2 (s) +Cl2(g) - →2 ClO2 (g) + 2NaCl (s)

• Un alto contenido de color elemental en el producto puede requerir su purificación para prevenir las

reacciones colaterales indeseables del Cl2.

• Como desinfectante del agua, el dióxido de cloro no clora u oxida el amoniaco u otros compuestos que contienen nitrógeno.

• Además, existe alguna preocupación acerca de los posibles efectos en la salud de sus principales subproductos de degradación, Cl y Cl.

Ozono y otros oxidantes • El ozono es usado en ocasiones como desinfectante en lugar del

cloro, particularmente en Europa, la figura muestra los componentes

principales de una planta de tratamiento de agua con ozono.

• Básicamente, el aire se filtra, se enfría, se seca y se eleva su

presión, para luego someterlo a una descarga eléctrica de,

aproximadamente, 20.000 V. El ozono producido se bombea

entonces a una cámara de contacto donde el agua está en contacto

con el ozono durante 10 – 15 minutos.

• La posible producción de compuestos tóxicos organoclorados en el

proceso de la cloración del agua ha incrementado el interés en la

“ozonización” como se le conoce a este proceso en España el

primero u “ozonización” como se nombra en México y otros países

latinoamericanos.

• Además, el ozono es más destructivo frente a los virus que el cloro. Desafortunadamente, la solubilidad del ozono en el agua es relativamente baja, lo cual limita su poder desinfectante.

• El ozono oxida los contaminantes del agua directamente a

través de la reacción con O3 e indirectamente generado el

radical hidroxilo, HO, que es un reactivo oxidante fuerte. La característica principal del ozono es la proporción en que se descompone espontáneamente en agua, según la reacción global.

2O3 → 3O2(g)

• Debido a la descomposición del ozono en el agua, debe agregarse cierta cantidad de cloro para mantener el poder desinfectante a lo largo del sistema de distribución del agua.

• El hierro (VI) en forma de ión ferrato, , es un agente oxidante fuerte con excelentes propiedades desinfectantes. Tiene la ventaja adicional de eliminar metales pesados, virus y fosfatos.

• En el futuro, sin embargo su aplicación a la desinfección podría ser limitada debido a los complejos que forma el hierro.

• Otro oxidante que está siendo ampliamente usado como agente de

limpieza y, de blanqueo en los detergentes y que, debido a su

capacidad oxidante, probablemente tiene también capacidades

desinfectantes, es el percarbonato de sodio.

• Este sólido, comúnmente llamado percarbonato, se produce

mezclando peroxido de hidrogeno, H2O2, como carbonato de sodio,

Na2CO3, junto con los estabilizadores MgSO4 y Na2SiO3, para producir

un sólido estable con fórmula empírica aproximada Na2CO3.1.5H2O2

puede estabilizarse por enlace de hidrógeno con el ión .

• En el agua, este material libera oxígeno y actúa como agente

blanqueador, “potenciador” del detergente y probablemente también

bactericida.

PROCESOS NATURALES DE PURIFICACION DE LAS AGUAS

• Virtualmente todos los compuestos cuya eliminación se realiza

en plantas de tratamiento convenientemente diseñadas, pueden

ser absorbidos o degradados en el suelo. De hecho, la mayoría

de estos compuestos son esenciales para la fertilidad del suelo.

• El efluente residual puede proporcionar el agua que es esencial

para el crecimiento de las plantas, además de los nutrientes –

fosforo, nitrógeno y potasio- usualmente proporcionados por los

fertilizantes.

• El agua residual también contiene elementos traza esenciales y

vitaminas. Es masa, la degradación de desechos orgánicos

proporciona el CO2 esencial para la producción fotosintética de

la biomasa de las plantas.

• El suelo puede considerarse como un filtro natural para las aguas residuales. La mayoría de los compuestos que forman la materia orgánica disuelta se degradan rápidamente en el el suelo, y, en principio, el suelo constituye un excelente sistema de tratamiento primario, secundario y terciario para el agua contaminada.

• El suelo tiene características físicas, químicas y biológicas que pueden permitir la desintoxicación, biodegradación, descomposición química y la fijación física y química de los contaminantes del agua residual

• Son importantes varias características del suelo para

determinar sus usos para el tratamiento edáfico de estos

desechos líquidos.

• Estas características incluyen su forma física, su capacidad

de retención de agua, grado de aireación, contenido orgánico,

características acido-base y comportamiento redox.

• El suelo es un medio natural para varios organismos vivos

que pueden influir en la biodegradación de los contaminantes

que van en las aguas residuales como las que contiene

desechos industriales.

• De estos, los más importantes son las bacterias, incluyendo

las de los géneros Agrobacterium, Arthrobacteri, Bacillus,

Flavobacterium y Pseudomonas.

• Los actinomicetos y los hongos son importantes en la degradación de la materia vegetal y pueden estar involucrados en la biodegradación de residuos.

• Otros organismos unicelulares que pueden estar presentes en o sobre el suelo son los protozoos y las algas.

• Animales que habitan en el suelo, como las lombrices de tierra, afectan a los parámetros del suelo como la textura.

TRATAMIENTO EDAFICO DEL AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL

• Los desechos que pueden tratarse mediante el suelo

son las sustancias orgánicas fácilmente

biodegradables, particularmente las contenidas en las

aguas residuales municipales y en el agua residual de

algunas instalaciones industriales, como las

procesadoras de alimentos.

• Sin embargo mediante la aclimatación durante un

periodo de tiempo largo, pueden desarrollarse cultivos

bacterianos del suelo que son efectivos degradando

compuestos, normalmente recalcitrantes, presentes en

el agua residual industrial.

• Los microorganismos aclimatados se encuentran

particularmente en sitios contaminados, como

aquellos en los cuales el suelo ha sido expuesto al

petróleo crudo durante muchos años.

• Los microorganismos en el suelo exhiben diversas

actividades enzimáticas que les permiten degradar

sustancias sintéticas.

• Incluso el suelo esterilizado puede mostrar actividad

enzimática debido a las enzimas extracelulares

secretadas por los microorganismos en el suelo.

• Algunas de estas son las enzimas hidrolasas como las que catalizan la hidrolisis de los compuestos organofosforados mostrados por la reacción:

 

• Donde R es un grupo alquílico, Ar es un grupo sustituyente que es frecuentemente Arilico y X es azufre u oxígeno.

• Otro ejemplo de una reacción catalizada por enzimas del suelo es la oxidación de compuestos fenólicos por la difenol oxidasa.

.  

• El tratamiento edáfico es el más usado para los desechos de la refinería de petróleo y es aplicable a tratamiento de combustibles  y desechos ocasionados en tanques subterráneos de almacenamiento. Tambien para desechos químicos orgánicos biodegradables, incluso organohalogenados.

• No es adecuado para ácidos, bases, sales, compuestos inorgánicos tóxicos. Ní metales pesados, ní compuestos 

     Orgánicos muy solubles,     volátiles o inflamables.