CAPÍTULO 21 PRUEBAS DE TRATABILIDAD

Una buena parte de los análisis que se realizan en un laboratorio de aguas tienen como propósito conocer la composición del agua, es decir, el tipo y cantidad de sustancias que esta contiene, bien sea en solución o en suspensión. Existen, sin embargo, otros tipos de ensayos frecuentes en los laboratorios de aguas, cuyos propósitos son diferentes. Así por ejemplo, las pruebas de permeabilidad permiten conocer el grado de infiltración del agua en un determinado tipo de suelo; las pruebas de tratabilidad permiten conocer los valores de ciertos parámetros necesarios para el tratamiento del agua en las plantas de purificación; las pruebas de solubilidad permiten conocer la resistencia de los materiales a la corrosión del agua, etc. En este capítulo se realiza una exposición de las pruebas de jarras (un ensayo de tratabilidad) y de la aplicación de sus resultados a los procesos de purificación de aguas. Para entenderlo, es necesario partir de un reconocimiento, al menos genérico, del proceso de purificación de aguas. En una planta de purificación el agua circula por una serie de unidades que, mediante un proceso continuo, someten el influente o agua cruda a una de serie procesos que pueden describirse esquemáticamente por el trazo azul de la figura 21.1:

Agua Cruda

Sedimentación Simple

Aireación

Coagulación- Floculación

Decantación

Filtración

Desinfección Agua Pura

Consumo

Vertimiento a un cauce

ARD

Tratamiento ARD

FIGURA 21.1 CICLO ANTRÓPICO DEL AGUA. FUENTE: AUTOR

21.1 Sedimentación simple Se entiende por sedimentación simple, la operación de eliminación de las partículas sólidas contenidas en un fluido por acción de la gravedad. En el tratamiento de aguas se distinguen dos tipos de sedimentación. La sedimentación simple y la sedimentación Inducida. La sedimentación simple generalmente hace parte de los tratamientos primarios y tiene por objeto reducir la carga de sólidos sedimentables cuyos tamaños de partícula son relativamente grandes. Mediante esta operación se eliminan partículas simples, no aglomerables, por disminución de la

velocidad y turbulencia del fluido, esto es, la eliminación se da simplemente cuando la fuerza de gravedad que obra sobre las partículas, prevalece sobre la fuerza de arrastre del fluido. Esta operación se realiza en unidades conocidas como “desarenadores” o “clarificadores”. La sedimentación inducida, llamada también decantación, se refiere a la sedimentación de partículas coloidales, cuya coagulación o aglomeración ha sido inducida previamente por agentes químicos tales como el alumbre o el hidróxido férrico, entre otros. Esta operación se realiza en unidades llamadas decantadores. La decantación es inherente a la coagulación y a la floculación.

21.2 Aireación Se entiende por aireación la mezcla del agua con el aire, que tiene por objeto modificar la concentración de las sustancias volátiles contenidas en ella e incrementar la concentración del oxígeno disuelto. La aireación tiene en realidad varios propósitos: Incrementar los niveles de oxígeno disuelto, disminuir la concentración de bióxido de carbono, de sulfuro de hidrógeno, de metano y otros gases indeseables que puedan estar presentes; adicionalmente, promover y acelerar la oxidación y precipitación del hierro y manganeso y corregir las características de olor y sabor ocasionadas por la presencia en el agua de sustancias orgánicas volátiles.

FIGURA 21.2 TORRES DE AIREACIÓN EN EL ACUEDUCTO DE MADRID, CUNDIANAMARCA. FUENTE: AUTOR

En los procesos de tratamiento de aguas residuales, el propósito más importante que cumplen los sistemas de aireación es el de incrementar la concentración de oxígeno a las velocidades requeridas para garantizar que el oxígeno no limite la metabolización de la materia orgánica presente. En purificación de aguas, la principal función es la de propiciar y acelerar la oxidación del hierro y manganeso. Los principales factores que influyen en el proceso de aireación del agua son la temperatura, la presión y la superficie de contacto. En el proceso de aireación, los sistemas mas comúnmente empleados suelen ser, aireación en cascada, aireación por inyección, aireación por surtidor y aireación por contacto.

21.3 Filtración Aunque el proceso de “coagulación—floculación—decantación” puede remover hasta el 90% de la turbidez y del color de una masa de agua, una fracción muy pequeña de los sólidos permanece

aún en suspensión, y debe ser retenida en el proceso de “filtración”, para clarificar completamente el influente. Es importante entender que aunque el término “filtración” generalmente evoca el proceso de cribado o tamizado de una masa de agua con el propósito de retener el material sólido suspendido, en los filtros convencionales de una planta de purificación de aguas, lo que menos cuenta es el proceso de colado, tamizado o cernido del agua.

Agua

Arena

Antracita

Grava

Soporte

FIGURA 21.3 FILTRO DE ARENA. FUENTE: AUTOR Esto se debe a que un filtro convencional de arena, antracita y grava, se comporta de manera similar a como lo hacen las columnas de separación en cromatografía, figura 21.2. Así, un filtro convencional de aguas puede retener sustancias en solución o en suspensión, no solo mediante el proceso mecánico de cribado, sino también y principalmente, mediante la acción conjunta del cribado, la absorción y el reparto1. Todos estos procesos en los que se basan las separaciones cromatográficas, constituyen la esencia del funcionamiento de los filtros de arena, antracita y graba, en las plantas de purificación de aguas.

21.4 Coagulación—floculación Cuando se desea eliminar el material sólido no aglomerable de una masa de aguas, generalmente se recurre a la sedimentación simple. La sedimentación simple se puede comprender fácilmente, mediante el análisis de la sedimentación de una partícula esférica, inmersa dentro de un fluido en reposo, en donde las únicas dos condiciones requeridas son: que la densidad de la partícula sea mayor que la del agua y que la velocidad del fluido sea mínima para que la fuerza de arrastre de la corriente no se oponga a la caída de la partícula. A partir de este razonamiento físico, se puede llegar fácilmente a: VS = Q / A (m3 / m2 * d) metros por día En donde VS es la Velocidad de sedimentación crítica, Q el caudal de entrada y A, el área de sedimentación. 1 Cribado, Absorción, Adsorción y Reparto, fundamento de la cromatografía.

Sin embargo, cuando se desea eliminar el material coloidal que se halla suspendido en una masa de aguas, no existen formas simples de calcular el tipo de coagulante o las dosis requeridas para lograr una óptima clarificación del fluido. Debido a la complejidad de los procesos de coagulación—floculación, no es posible ni práctico establecer mediante fórmulas o ecuaciones, las dimensiones o la geometría de las unidades implícitas, como sí lo es para la sedimentación simple. Por esta razón las plantas de purificación funcionan mediante sistemas de decantación de diseño estándar, en tanto que el tipo de coagulante y las dosis necesarias para un determinado influente, se determinan por métodos experimentales de laboratorio. Las pruebas que se utilizan para este fin se conocen como “pruebas de jarras” y tienen por objeto determinar el tipo de coagulante más adecuado para una determinada masa de agua y las dosis óptimas de coagulante mediante la simulación de tres procesos básicos que se realizan en planta: mezcla rápida, mezcla lenta y decantación.

FIGURA 21.4 COAGULACIÓN--FLOCULACIÓN. FUENTE: AUTOR

En síntesis, la “coagulación—floculación” hace parte de un proceso físico-químico de purificación de aguas que tiene por objeto retirar el material coloidal del agua y que consta de cuatro procesos o etapas: mezclado, coagulación, floculación y decantación. El mezclado es la distribución uniforme y rápida del coagulante en el agua antes de que se verifiquen reacciones químicas en proporción apreciable. La coagulación es la desestabilización del coloide mediante la formación de coágulos, originados por la adición al agua de un producto capaz de neutralizar la carga eléctrica de las partículas coloidales, generalmente electronegativas.

FIGURA 21.5 DECANTACIÓN EN UNA PLANTA COMPACTA. FUENTE: AUTOR

La floculación es un proceso de agitación suave y continua que permite a las partículas o coágulos suspendidos, aglomerarse unos a otros para formar flóculos de tamaño y densidad apropiada para su separación por gravedad. Finalmente, la decantación consiste en la separación de las partículas sólidas aglomeradas bajo la forma de lodos.

21.5 Pruebas de jarras Como ya fue expuesto, las pruebas de jarras son simulaciones en el laboratorio, de las operaciones de coagulación—floculación—decantación que se realizan en las plantas de tratamiento y purificación de aguas. Al igual que otras pruebas analíticas, el método ha sido estandarizado para facilitar la comparación y convalidación de los resultados.

21.5.1 Materiales y equipos

• Equipo para pruebas de jarras que consiste de un set de agitadores mecánicos controlados por un aparato que regula su velocidad y una lámpara de iluminación (figura 21.3).

FIGURA 21.6 EQUIPO PARA PRUEBAS DE JARRAS. FUENTE: AUTOR

• Seis vasos de precipitados de 2000 mililitros

• Pipetas graduadas de 2, 5, 10, 15, 20 y 25 mililitros.

• pHmetro o papel indicador de precisión.

21.5.2 Reactivos

• Soluciones Stock de 1000 ppms, de sulfato de aluminio. • Soluciones Stock de 1000 ppms, de cloruro férrico. • Soluciones Stock de 1000 ppms, de polifosfato. • Soluciones Stock de 1000 ppms, de un polímero orgánico. • Solución NaOH y HCl 0,10 N. • Reactivos o kits de análisis para pH, turbidez, color, alcalinidad y dureza.

21.5.3 Procedimiento

• Determine a la muestra de agua bien homogenizada, el color, la turbiedad, el pH, la alcalinidad y la dureza. Asegúrese de que el pH de la muestra se halle comprendido entre

el rango 6 y 7. En caso contrario, ajústelo con solución de hidróxido de sodio o de ácido clorhídrico 0,10 N.

• Mida seis porciones de un litro de muestra, cada uno en vasos de 2,0 litros y colóquelos en

el equipo de Jarras.

• Encienda la lámpara y ponga a funcionar los agitadores y estabilice su rotación a 100 rpm

• Dosifique el coagulante seleccionado a los primeros 5 vasos, en cantidades crecientes y simultáneamente a todos los vasos. Por ejemplo, 4, 8, 12, 16 y 20 mls de una solución Stock 1000 ppms de alumbre Al2(SO4)3.

• Mantenga la agitación de las aspas a 100 rpm durante un minuto (mezcla rápida o

coagulación) y luego baje la velocidad de agitación a 40 rpm y manténgala durante 15 minutos más (mezcla lenta o floculación).

• Una vez transcurridos los 15 minutos de agitación lenta, suspenda la agitación, retire los

agitadores de los vasos y deje el sistema en reposo por 30 minutos durante los cuales deberá observar la apariencia y consistencia del flock y su velocidad de decantación.

• Finalmente, determine la dosis óptima seleccionando aquella jarra en donde los valores de

color y la turbidez sean los más bajos y en donde la velocidad de decantación y la consistencia del flock sean los mejores. Utilice el vaso número seis a manera de blanco, para facilitar las comparaciones

Se debe tener en cuenta que la dosis óptima es “la más baja que presente las anteriores características”, sin exceder la dosificación necesaria. Esto, porque las dosificaciones superiores a la óptima suelen resuspender nuevamente las partículas, mediante la incorporación en ellas de una carga eléctrica opuesta a la inicial, figura 21.4.

T

urb

idez

Mililitros de A. Floculante.

Dosis óptima

FIGURA 21.7 TURBIDEZ DEL AGUA FRENTE ADICIONES CRECIENTES DE AGENTE FLOCULANTE. FUENTE: AUTOR

Es frecuente que al realizar una prueba de jarras los resultados obtenidos no permitan establecer una dosificación óptima. Esto ocurre cuando el agente floculante que se ensaya, no es el más adecuado para un determinado tipo de aguas. Como norma general, las aguas cargadas de limos y arcillas floculan muy bien con sulfato de aluminio o con cloruro férrico, mientras que las aguas que contienen coloides de naturaleza orgánica, (aguas residuales de lavaderos de carros, de plantas de sacrificio animal y de beneficiaderos del café, entre otros) se eliminan mejor utilizando agentes floculantes orgánicos.

Históricamente se han empleado sales minerales de cationes polivalentes (Fe3+, Al3+), como agentes coagulantes, debido a que la acción coagulante es función de la valencia del ion, el cual debe poseer una carga eléctrica opuesta a la de las partículas coloidales. Sin embargo, como la hidrólisis que experimentan dichos iones acidifican el medio, y esto a su vez dificulta el proceso de coagulación—floculación, se han desarrollado algunos productos sintéticos denominados “poli electrolitos” que cumplen la misma función que los cationes polivalentes, pero que no alteran el pH del medio. El pH desempeña un papel muy importante en los procesos de “coagulación—floculación” debido a que los iones hidronio e hidroxilo aportan o destruyen la carga eléctrica de las partículas coloidales. Idealmente, se debe propender porque el pH del agua que se desea tratar, se halle ubicado dentro de la zona de pH de mínima solubilidad del catión metálico utilizado en la coagulación. Para el caso del ion aluminio, este pH se encuentra entre 6 y 7,4. La forma más exacta de establecer la dosis óptima de coagulante para una determinada masa de agua, es mediante la determinación de sus potencial zeta o potencial cero, en una curva de “mililitros de coagulante adicionado “vs” potencial eléctrico” del medio.

21.6 Práctica de Laboratorio Como ejercicio de aplicación para la medición de oxígeno disuelto, se ha diseñado una práctica de laboratorio en la que cada grupo de trabajo deberá hallar la dosificación más apropiada para la floculación—coagulación de las siguientes muestras, ensayando diferentes tipos de coagulantes:

• Una muestra de agua residual de lavaderos de carros. • Una muestra de agua turbia proveniente de un cauce correntoso. • Una muestra de ARD. • Una muestra de lixiviados del RS de DJ.

Nota: Para todos los casos, ajuste el pH de las muestras al rango 6,5—7,5 antes de realizar la prueba de jarras, y seleccione la mejor dosificación apoyándose en mediciones fotométricas de color y turbidez.

21.7 Epílogo

LOS ESTATUTOS DEL HOMBRE

Artículo 1

Queda decretado que ahora vale la vida, que ahora vale la verdad, y que de manos dadas, trabajaremos todos por la paz.

Artículo 2

Queda decretado que todos los días de la semana, inclusive los martes más grises, tienen derecho a convertirse en mañanas de domingo.

Artículo 3

Queda decretado que, a partir de este instante, habrá girasoles en todas las ventanas, que los girasoles tendrán derecho a abrirse dentro de las sombras y que las ventanas deben permanecer el día entero abiertas para el verde donde crece la esperanza.

Artículo 4

Queda decretado que el hombre no precisará nunca más dudar del hombre. Que el hombre confiará en el hombre como la palmera confía en el viento, como el viento confía en el aire, como el aire confía en el campo azul del cielo.

Artículo 5

Queda decretado que los hombres están libres del yugo de la mentira. Nunca más será preciso usar la coraza del silencio ni la armadura de las palabras. El hombre se sentará a la mesa con la mirada limpia, porque la verdad pasará a ser servida antes del postre.

Artículo 6

Queda establecida, durante diez siglos, la práctica soñada del profeta Isaías, el lobo y el cordero pastarán juntos y la comida de ambos tendrá el mismo gusto a aurora.

Artículo 7

Por decreto irrevocable queda establecido el reinado permanente de la justicia y de la claridad. Y la alegría será una bandera generosa para siempre enarbolada en el alma del pueblo.

Artículo 8

Queda decretado que el mayor dolor siempre fue y será siempre no poder dar amor a quien se ama, sabiendo que es el agua quien da a la planta el milagro de la flor.

Artículo 9

Queda permitido que el pan de cada día tenga en el hombre la señal de su sudor, pero que sobre todo tenga siempre el caliente sabor de la ternura.

Artículo 10

Queda permitido a cualquier persona, a cualquier hora del día, el uso del traje blanco.

Artículo 11

Queda decretado, por definición, que el hombre es un animal que ama, y que por eso es bello, mucho más bello que la estrella de la mañana.

Artículo 12

Decrétase que nada estará obligado ni prohibido. Todo será permitido. Inclusive jugar con los rinocerontes y caminar por las tardes con una inmensa begonia en la solapa.

Parágrafo único:

Sólo una cosa queda prohibida: amar sin amor.

Artículo 13

Queda decretado que el dinero no podrá nunca más comprar el sol de las mañanas venideras.

Expulsado del gran baúl del miedo, el dinero se transformará en una espada fraternal, para defender el derecho de cantar y la fiesta del día que llegó.

Artículo final

Queda prohibido el uso de la palabra libertad, la cual será suprimida de los diccionarios y del pantano engañoso de las bocas. A partir de este instante la libertad será algo vivo y transparente, como un fuego o un río, o como la semilla del trigo y su morada será siempre el corazón del hombre.

Thiago de Mello (Brasil, 1926). Traducción de Pablo Neruda