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Universidad de Los AndesFacultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería QuímicaDpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos

Tratamiento de aguas blancas. (Parte 2/2)

CONTAMINACIÓN DEL AGUA

Prof. Yoana Castillo

yoanacastillo@ula.ve

Web:http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/yoanacastillo/

CONTENIDO

Esquema general de potabilización de aguas. Parte 2/2Parte 2/2

Sedimentación. Filtración.Cloración.Fluoruración.

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Tratamiento preliminar

Agua blanca cruda, Afluente

ESQUEMA GENERAL DE POTABILIZACIÓN

Tratamiento preliminar

Mezcla rápida

Floculación

Sedimentación

Coagulante Discutidos en clase anterior

Filtración

Desinfección

Cloro

Agua potable, Efluente

Cumple con las normas Gaceta venezolana 36.395

4. SEDIMENTACIÓN [1-3]

La sedimentación es la eliminación de sólidos suspendidos en el agua por asentamiento gravitacional

• Se emplean tanques de sedimentación

gravitacional.Para que se lleve a cabo la sedimentación, la velocidad del agua debe reducirse a un valor tal que los sólidos se asienten por gravedad si es suficientemente grande el tiempo de retención en el recipiente de sedimentación.

sedimentación.• En algunos casos la coagulación, floculación y sedimentación se lleva a cabo en el mismo tanque y este equipo se llama CLARIFICADOR.

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4. SEDIMENTACIÓN. SEDIMENTADORES4.1 Sedimentador rectangular, flujo horizontal:• Es compacto.• Los lodos se mueven a un sumidero oLos lodos se mueven a un sumidero o depósito de lodo por medio de un raspador de puente viajero que puede servir a varios tanques o por un sistema de bandas sin fin con rastras.• Los lodos se retiran continuamente.

4. SEDIMENTACIÓN. SEDIMENTADORES4.2 Sedimentador circular, flujo radial anular• Tiene un vertedero mayor.• Los mecanismos de raspado son más simples,Los mecanismos de raspado son más simples, pero no son compactos.

4.3 Sedimentador circular, flujo vertical• Su operación se basa en manto de lodos que sirve para filtrar partículas más pequeñas.

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4.4 Clarificador• Hay mezclado químico, floculación y clarificación en la misma unidad.

4. SEDIMENTACIÓN. SEDIMENTADORES

misma unidad.•Los mezcladores son de velocidad variable para controlar la floculación y la concentración de sólidos en la zona de reacción.•Se debe controlar la entrada y salida de sólidos y este es el aspecto más difícil en el control de la unidad de colchón de lodo.

• Las características físicas de la turbidez del agua a tratar.• Flujo en el sedimentador: los canales de entrada y salida no deben restringirse

Criterio de diseño: Se debe tomar en cuenta :

4. SEDIMENTACIÓN. DISEÑO DE EQUIPOS

• Flujo en el sedimentador: los canales de entrada y salida no deben restringirse porque eso aumentaría la velocidad del líquido y genera turbulencia que interfiere en la sedimentación.

• Período de retención disponible a flujo máximo:

• Cantidad de materia suspendida, turbidez.

• Grado de purificación deseado.

• Costo relativo del equipo comparado con t ét d d l ifi ióotros métodos de clarificación.

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•El diseño se basa en el análisis de partículas discretas (durante la sedimentación no alteran su tamaño, forma o peso).• Al caer libremente la partícula en un líquido en reposo, se acelera hasta que la resistencia de fricción o arrastre del fluido equilibra a la fuerza impulsora que

4. SEDIMENTACIÓN. DISEÑO DE EQUIPOS

resistencia de fricción o arrastre del fluido equilibra a la fuerza impulsora que actúa sobre la partícula, de ahí en adelante, la partícula se asienta a una velocidad constante o terminal (Vs):

Balance de fuerzas:

( )wC

dpwsgVsD ρρρ

..3...4 −

=

324

Vs= velocidad terminal.ρs= densidad partícula.ρw= densidad del agua.dp= diámetro de partícula = 6V/A

Ec.1

µρwdpVs

CD

..Re

34.0Re

3Re24

2/1

=

++=dp diámetro de partícula 6V/Ag= aceleración de gravedad.CD= coeficiente de arrastre.Re= Número de Reynolds.

Para régimen turbulento:• Re>104 , CD ≈ 0.4

Ec.2

Ec.3

Para régimen laminar:• Re<0.5 , CD =24/Re Ec. 4

( )µρρ

18.. 2dpwsgVs −

=

Los valores de densidades se ubican entre:• ρs para material orgánico 1030 a 1100Kg/m3

• ρs para flóculos 1400 a 2000Kg/m3

• ρs para partículas minerales 2000Kg/m3

µ.18

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Cálculo del área de un sedimentadorExiste una velocidad de sedimentación critica: VSC

Para que haya sedimentación Vs>VSC

VSC se puede calcular como:

AQ

toHVsc == Ec. 5

Q/A se conoce como Carga Superficial o velocidad de derrame y tiene valores tipicos, según tabla 1:

Tipo de operación Q/A (m3/m2d) Valor típico (m3/m2d)

Remoción de turbiedad 40-60 48

Tabla Nº 1: Diferentes valores de carga superficial dependiendo del tipo de operación

Coagulación con alumbre 30-40

Remoción de color 35-45 40

Dimensiones típicas de los sedimentadores• Profundidad: 2 1m a 4 6 m Valor típico 3mProfundidad: 2.1m a 4.6 m. Valor típico 3m.• Geometría: Circulares, rectangulares, cuadrados.• Tanques circulares con diámetro máximo de 60m, se tratan de hacer por debajo de 30 m.• Los tanques cuadrados son poco usados, longitud de 25m.• Tanques rectangulares con longitud máxima de 100m, generalmente menor a 30m. El ancho va limitado por el tamaño medio de las rastras de limpieza de lodos, si son de madera son de 5m. (Rastras en paralelo).• Pendiente en el fondo: Circulares o cuadrados del 8%, rectangulares 1%.

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Interferencia sobre la sedimentación de partículas discretasLa sedimentación ideal no ocurre en la práctica Hay que tener en cuenta los tiposLa sedimentación ideal no ocurre en la práctica. Hay que tener en cuenta los tipos de interacciones que ocurren sobre las partículas al sedimentador:• Colisión entre las partículas debido a diferentes Vs, ocurre floculación durante la sedimentación.• Las partículas están muy cerca una de otras que restringen el flujo de líquido. Esto ocurre e sedimentación de flujo ascendente.• Las partículas interactúan físicamente compactándose en el fondo del tanque.

También deben minimizarse las corrientes en el sedimentador formadas por:p• Corrientes turbulentas por la inercia del fluido entrante.• Corrientes superficiales producidas por el viento.• Corrientes verticales de convección de origen térmico.

Remoción de los lodos generados:• Limpieza por arrastre con agua para ello sacar de servicio la unidadLimpieza por arrastre con agua, para ello sacar de servicio la unidad.• Los lodos son abundantes y putrescibles por lo que la remoción debe ser continua y mecánica.• El sedimentador debe tener rastras de remoción sujetas a brazos giratorios. Las rastras deben operar a velocidades menores a 30cm/min. Consumo energético aproximado de 1Hp/930m2 área del tanque.

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5. FILTRACION [1-3]

Tratamiento utilizado en la clarificación de aguas, donde se remueve los sólidos suspendidos que no fueron separados durante la sedimentación.Al pasar el agua a través de un medio poroso (filtro) remueve los sólidosAl pasar el agua a través de un medio poroso (filtro) remueve los sólidos suspendidos por acción mecánica.Muchas partículas no pasan por los intersticios del medio filtrante a causa de su tamaño.

La profundidad a la cual los sólidos penetran el medio filtrante depende del flujo de filtración el grado de pretratamiento así comofiltración, el grado de pretratamiento, así como las dimensiones y graduaciones del filtro.Al pasar el tiempo, la eficiencia del filtro operando ADECUADAMENTE aumenta, la materia floculada llena los espacios vacíos del lecho y esta capa produce intersticios más pequeños ayudando a la remoción.

5. FILTRACION. TIPOS DE FILTROS

5.1. Filtro de medio granular:Lecho granular de especificaciones 5.1.1. Filtros lentosg pdefinidas, tamaño y distribución de tamaño de partículas. El medio puede ser arena, arena/antracita. La remoción se produce sobre la superficie del medio y entre los poros en una acción de tamizado.

5.2. Filtro de superficie permeable:

5.1.2. Filtros rápidos

p pHay un material poroso o permeable, sobre el cual se deposita una capa delgada de material filtrante, ejemplo tierras diatomáceas a traves del cual pasa el líquido que se filtra, reteniendo las partículas.

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5.1.2. Filtros rápidos5.1.1. Filtros lentos

• Fue el primero que se usó.p q• Sólo hay penetración superficial.• Se forma una capa fangosa en la superficie del lecho donde se lleva a cabo actividad biológica.• Son de gran tamaño, limpieza costosa.• Se recomienda su uso para aguas con turbidez <20UNT.

• Tienen menor tamaño que los lentos.•Deben limpiarse con mayor frecuencia porque acumular impurezas en casi toda su profundidad.•Deben limpiarse con flujo ascendente.• Se controla la velocidad de filtración, la turbiedad y la perdida de carga.

INVESTIGAR (Exp Fair Hatch)

Comparación de las características de los filtros

Tabla Nº 2: Características de los filtros lentos y rápidos

INVESTIGAR: como se calcula el Coeficiente de no-uniformidad ( Distribución y tamaño de granos)

Fuente: [3]

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Lavado de los filtros:• Los filtros rápidos se lavan invirtiendo el flujo (retrolavado) a altas velocidades para expandir el lecho (30-50%).• La limpieza incompleta permite la acumulación de material• La limpieza incompleta permite la acumulación de material removido y la formación de bolas de lodo.• Lavado superficial: con agua a presión. 2 minutos antes del retrolavado y continua.• Lavado con aire: Agregar aire y agua en forma ascendente, velocidad del aire 30-60m/h y del agua de 15m/h hasta obtener 20-30% de expansión. Pasar agua y aire por 2 minutos y luego agua solamente por 5 minutos.g p

6. CLORACIÓN [1-4]¿Por qué es necesaria?Los microorganismos tienen bajo tamaño y no es posible garantizar que su remoción sea completa con los tratamientos de coagulación o filtrado.remoción sea completa con los tratamientos de coagulación o filtrado.

Se debe efectuar una desinfección para asegurar la eliminación de microorganismos potencialmente dañinos en las aguas potables.

• Destruya los organismos patógenos independientemente del tipo y concentración.• Desinfección en tiempo de contacto relativamente pequeño

Se emplean agentes desinfectantes que:

pequeño.• Actúe de forma eficiente dentro de ciertos rangos de T, pH, turbidez, color remanente.• Que las concentraciones mínimas necesarias no sean tóxicas para el consumo humano y animal.• No comunique olor ni sabor desagradable.• Los productos sean de fácil adquisición y aplicación sencilla

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6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTESCloro:El cloro y sus compuestos se usa ampliamente porque:• Se obtiene fácilmente como gas líquido o polvoSe obtiene fácilmente como gas, líquido o polvo.• Es barato.• Es fácil de aplicar debido a una solubilidad relativamente alta (7000mg/L)• Deja un residuo en solución que no es dañino para el hombre y protege el sistema de distribución.• Es muy tóxico para la mayoría de los microorganismos, ya que detiene las actividades metabólicas.

Ti l d j iTiene algunas desventajas: como ser un gas venenoso que requiere manejo cuidadoso y puede causar problemas de sabor y olor, especialmente en presencia de fenoles.

6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTESQuímica del Cloro:• El cloro es usado como cloro o hipoclorito.• Las reacciones químicas que se producen al aplicarle cloro al agua:Las reacciones químicas que se producen al aplicarle cloro al agua:

a) Hidrólisis:

b) Ionización:

Cl2 + H2O HOCl + HClAcido hipocloroso

HOCl H+ + OCl-

Hipoclorito

[ ][ ][ ]HOCl

OClHKi−+

=

[ ][ ][ ][ ]

4

2

10*5.4 −−+

==Cl

HOClClHKh

A 25ºC

(Residuales libres)

El cloro como HOCl o iones OCl- en el agua es denominado Cloro libre disponible.Con valores tabulados de la constante de ionización (Ki) y el pH se obtiene la relación entre el acido hipocloroso y el ión hipoclorito según:

[ ][ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]+−−

+=

+=

+HKi

HOClOClOClHOCl

HOCl

1

1

1

1

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6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTES

Grafica de Cloro libre disponible requerida para la extinción del 99% de E ColiFuente: [5]

Si en el agua hay presencia de amoníaco se dan las siguientes reacciones:

6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTES

NH4+ + HOCl NH2Cl + H2O+ H+

Monocloramina(Residuales combinados)NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O

Dicloramina

NHCl2 + HOCl NCl3 + H2OTricloruro de nitrógeno

Los residuales combinados son mas estables que los residuales libres, pero menos efectivos como desinfectantes.En presencia del amoníaco, la adición continua de cloro produce una curva característica de cloro residual tal como se muestra a continuación:

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Una vez que todo el amoníaco ha reaccionado, el cloro adicional convierte el residual combinado en residual libre en el punto de ruptura (break point) que se simplifica como:

6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTES

NCl3 + Cl2+H2O HClO + NH4+

Acido hipocloroso

Más allá del punto de ruptura, el cloro residual libre es proporcional a la p pdosis.

¿Dosis de cloro residual adecuada?

Fuente: [3]

¿Dosis de cloro residual adecuada?• Los residuales de cloro de 0 2 a 1 mg/L después de un tiempo de contacto

6. CLORACIÓN.

• Los residuales de cloro de 0.2 a 1 mg/L después de un tiempo de contacto de 15 a 30min producirán un factor de descontaminación de 1.• Un promedio seguro es un cloro residual de 0.5mg/L a 15 minutos.

Monitoreo del cloro residualSe hacen análisis de laboratorio cuantitativos usando:• Método colorimétrico de la ortotolidina, que ante la presencia de cloro reacciona y produce un color amarillo-verdoso. La ortotolidina es tóxica, se recomienda:• Usar método Yodométrico.• Amperométrico.• Titulométrico con sulfato de amonio ferroso y dietil fenilen-diamina (DPD) como indicador.

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Demanda de Cloro:Es la diferencia entre la cantidad de cloro aplicado y la cantidad de cloro total residual que queda al final del tiempo de contacto.

6. CLORACIÓN. AGENTES DESINFECTANTES

Se hace un ensayo a escala laboratorio con cloro o hipoclorito en serie de muestras de agua con dosis variable del desinfectante a la temperatura de interés y después del tiempo de contacto de determina el cloro residual.La determinación del cloro residual demostrará cual dosis satisface los requerimientos de la demanda de cloro en términos del residual deseado.

Otros desinfectantes:• Ozono (O3): No deja residual, es caro, remueve bien el color Puede requerir cloración posteriorcolor. Puede requerir cloración posterior.• Radiación ultravioleta: Radiación UV a 254nm. Requiere alto gasto de energía. El agua debe tener baja turbidez.• Calor, daña el sabor del agua al quitar OD.• Plata: Costo excesivo.• Bromo.• Membranas de microfiltración y ultrafiltración. Remueve microrganismos de hasta 10-2µm

6. CLORACIÓN. EQUIPOS DE CLORACIÓN.Cloración con cloro gaseoso

El cloro se suministra como gas licuado a alta presión en bombonas que varían de 50 a 75Kg hasta recipientes de toneladas.Hay que tener en cuenta que:• El gas cloro es venenoso y corrosivo. Ventilación.• Almacenamiento y uso de máscaras de gas.

Dosificación:• Inyección a presión del gas.• Clorador de alimentación en vacío: Se utiliza un eyector o aspirador para crear vacío que arrastre el cloro a través de un orificio o rotámetro. El gas cloro es absorbido en la corriente del eyector y se descarga en el agua en forma de solución de cloro.

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6. CLORACIÓN. EQUIPOS

Cloración con solución de hipoclorito

Hipoclorito Cálcico: Comercialmente puede ser forma seca (granulo polvo

6. CLORACIÓN. EQUIPOS

Comercialmente puede ser forma seca (granulo, polvo, pastillas) o húmeda. Contiene 70% de cloro disponible.

Hipoclorito Sódico: 3% es la concentración usual máxima. Requiere de un tanque resistente a la corrosión.

Alimentadores:• Controlados por orificios que hagan uso de un tanque de altura constante alimentado portanque de altura constante alimentado por gravedad desde un depósito superior.• Bombonas dosificadoras con recorrido ajustable, régimen constante o programables para arrancar y detenerse a intervalos deseados. El tanque de cloración debe tener buen mezclado para asegurar cloración continua.

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Control de la dosificación:• Manual. Medir cloro residual después de 15 minutos de contacto y ajustar la dosis hasta obtener cloro residual de 0.5mg/L

6. CLORACIÓN. EQUIPOS

dosis hasta obtener cloro residual de 0.5mg/L• Control programado y/ o automático. Requiere la medida automática del cloro residual.

Tanque de cloración:• Debe incluir la adición de la solución de cloro a través de un difusor, que puede ser una tubería de caucho dura o plástico con agujeros perforados ó mediante un hélice de un mezclador rápido.• El 90% del agua debe ser retenida en el tanque de cloración durante el tiempo de contacto Se recomienda usar patrón de flujo tipo pistónde contacto. Se recomienda usar patrón de flujo tipo pistón.• Las velocidades horizontales deben ser de 1.5 a 4.5m/min como mínimo.• Medir el caudal de salida por ejemplo con un vertedero triangular o rectangular.• Punto de muestreo para analizar cloro residual y NMP de coliformes a nivel de laboratorio. ¿Cumple con la normativa?

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FLUORURACIONConsiste en agregar al agua en cantidades controladas un compuesto que contenga el ión fluoruro.El fluoruro es un constituyente natural de algunas aguas y se ha d t d ti f t i hibit i l i d t ldemostrado que tiene un efecto inhibitorio en la caries dental, especialmente en los niños. Algunas autoridades de salud recomiendan agregar Flúor en el agua hasta 1mg/L. Pero no debe excederse de 1.5mg/L porque pueden aparecer manchas amarillas en los dientes y en dosis mayores causan la fluorosis ósea.

Aditivos usados en la fluoruración• Fluoruro de sodio: NaF. Comercialmente se vende en cristales o polvo blanco. Caro• Fluosilicato de sodio: Na2SiF6 Polvo blanco inodoro Baja solubilidad Barato• Fluosilicato de sodio: Na2SiF6. Polvo blanco, inodoro. Baja solubilidad. Barato.• Fluosilicato de amonio: (NH4)2SiF6. Polvo blanco, solubilidad elevada.• Espatoflúor: CaF2. Material lustroso parecido al vidrio. Es económico.• Acido Fluosilico. Corrosivo, irritante. Requiere un manejo minucioso.

Se dosifican con Dosificadores de diafragma y de tipo pistón.En seco pueden adicionarse usando un dosificador volumétrico o gravimétrico.

REFERENCIAS

[1] MONTOYA, R. “Contaminación de Aguas”. Universidad de Los Andes. Venezuela 2000Venezuela. 2000

[2] NALCO “Manual del agua” Tomo I. Mc Graw Hill. México.1998[3] TEBBUT T. “ Principles of water quality control”. Butterworth Heinemann.

Fifth edition. Inglaterra. 1998[4] METCALF-EDDY .“Tratamiento y depuración de las aguas residuales”.

Editorial Labor, S.A. España. 1977.[5] CHEREMISINOFF N. “Handbook of water and wastewater treatment

technologies” Butterworth Heinemann. Fifth edition. Estados Unidos. g2002