Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.1 REMOCION DE HIERRO Y MANGANESO POR OXIDACIN - FILTRACION PARAAGUA POTABLE Burbano, L.ySnchez, L. D. Instituto Cinara, Universidad del Jalle, Grupo Abastecimiento de Agua.E-mail. luisancunivalle.edu.co RESUMEN Elhierroyelmanganesopresent eenelaguadeconsumohumanopresentanseriosproblemasparala inIraestructuraderedes,valvulasymicromedidoresporlasincrustacionesyelriesgodeIormacionde biopeliculas al interior de las tuberi as. Por el color, la presenci a de solidos suspendidos y sabor, los usuarios tienden a generar rechazo en especial del agua subterranea.EsteestudioseorientoaidentiIicarycaracterizartresopcionesparalaremociondehierroymanganesoa escala piloto y real. Las tecnologias estudiadas corresponden asistemas de oxidacion Iiltracion. A escala piloto se diseo y se realizo el montaje de dos plantas de tratamiento ambascon oxidacion con hipoclorito de sodiomaslaIiltraciongruesaascendent eenserieendosytresetapas(FGAS2-3)operandoconIuente superIicialysubterranea.Aescalarealseevaluounaplantaconoxidacionporai reacionmasIiltracionen multiples etapas (aireacion FiME) operando conIuente subt erranea. Los FGAS 2-3 de l as plantas piloto se disearon con una velocidad deIiltracion de 3 m/h, mientras queel FGAC de la planta aescal a real opero a 0.5 m/h. El sistema piloto oxidacion FGAS 3 con Iuente subterranea obtuvo unaeIici encia de remocion de hierro y manganeso con valores del 84 y del 90 respectivament e. Mientras que la planta piloto oxidacion FGAS 2 con Iuente superIicial registro una remocion mas baja, hierro del 58, debido a que porel tipo de Iuente elhipoclorito reacciona con otras sustancias y puedeIormar subproductos. Laremocion en la planta escala realaireacionFiMEIuedel89enmanganesoydel92enhi erro.EstatecnologiaesIacildeoperary mantener,pero debido a las bajas velocidades deIiltracion, requiere de areas 6 veces mayoresa la oxidacion concloroFGAS2-3,locualimplicamayorescostosdeinversioninicialdelsistema.Sinembargoelsistemaaireacion FiME puede sermas apropiado cuando se tienenIuentes superIi ciales con alto contenido dehierroymanganeso,puesalnorequerirsesustanciasquimicasensuproceso,reducelosriesgosde Iormacion de subproductos del cloro. PALABRAS CLAVES Aguasubterranea,hierro,manganeso,oxidacion,Iiltracion,velocidaddeIiltracion,eIiciencia de remocion. INTRODUCCION Elaguasubterraneaesdevitalimportanciaparalacivilizacionporquesuponelamayor reservadeaguapotableenlasregioneshabitadasporlos sereshumanos.Anivelglobal,el aguasubterranearepresentacercadeun20delasaguasdulces,queasuvezconstituyen el 3 del total;el 80 restante esta Iormado por las aguas superIiciales; un 79es hielo y el 11 representa el agua presente en rios, lagos y arroyos (Mosquera, 2002).EldeIicitdelrecursohidricoenalgunaszonas,especialmenteenelValledelCauca,ha motivadoalsectorpublicoy privadodeldepartamentoamirarelaprovechamientodelas aguassubterraneasmediantelaconstrucciondepozosproIundos,comoalternativade solucion paraelabastecimiento. La utilizacion deeste recurso natural a traves de pozos se Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.2 haincrementadoenlosultimos20aosdebidoasualtademandasumadatambienala degradacion de la calidad de las aguas superIiciales (Ascuntar, 1995). Losusuariosdelossistemasdeabastecimientoaceptanelagua,peroaspectoscomola turbiedad,elcolor,elsaboroelolorpuedensermotivoderechazo.Elhierroyel manganesosoncompuestoscomunmenteencontradosentodaslaspartesdelatierray representanunproblemaenlasaguassubterraneaspuesestanasociadosaproblemas esteticos y operacionales.Estos compuestos no tienen consecuencias adversas para la salud en las concentracionesen que seencuentra enlasaguas subterraneasenelValle del Cauca (0.5 y 5 mg/L), pero son posibles las intoxicaciones por dosis agudas para hierro entre 300-600miligramosporcadaKilogramodepesocorporalquepuedencausardepresion, respiracionagitada,convulsiones,Iallasrespiratorias,problemascardiacosycoma(Marin, 1996);paraelmanganesoloseIectosocurreneneltractorespiratorioyenelcerebro.La dosisquepermitelasnormasdecalidaddeagua(Decreto475/98)enColombiaparael hierroyelmanganesosonde0.3mg/Ly0.1mg/L,respectivamente,orientadasaproteger la inIraestructura y prevenir reposiciones prematuras.Losprincipalesproblemasdelhierroyelmanganesoseasocianaincrustacionesenlas tuberias,manchasenlaropayenlosaparatossanitarios,incrementodelcoloryla turbiedaddelagua,olorysaborycontribuyenalaIormaciondebiopeliculasenlasredes dedistribucionincrementandolosriesgosmicrobiologicos.Lapresenciadehierroy manganesoenlasaguassubterraneaenelValledelCaucaselocalizanencasilatotalidad delmunicipiodeJamundi,lapartesurdelmunicipiodeCandelaria;elnortedelmunicipio deCartago,elsectororientaldelmunicipiodeZarzalylosmunicipiosdeCali,Florida, Pradera, Tulua y Palmira (Mosquera, 2002) y aIecta el suministro de agua especialmente de lascomunidadesenlazonaruralesylaindustriaenelValledelCauca, conununiverso estimado de 230 y 261 pozos construidos, respectivamente (ver Tabla 1). Tabla 1. Pozos PerIorados al 2002 en Valle GeograIico del Rio Cauca. USOSN TOTAL DE POZOSPorcentaje ()CAUDAL ( L/s ) Agricola1.06453.04116.219 Industrial26113.019.750 AbastecimientoPublico23011.475.701 Abandonados41520.69 De Estudio361.79 TOTAL2.006100131.671 Fuente: Mosquera, 2002 Porlosproblemasexpuestosanteriormenteestetrabajoseorientoaestudiaryrevisaralternativas de tratamiento para la remocion de hierro y manganeso aescala piloto y realen laperspectivadepotenciarelusodeaguasubterraneaaprovechandosusbondadesporel bajo riesgo microbiologico que presentan y por su disponibilidad. REVISION DE LITERATURA En1899HarryClark,reportoporprimeravezlapresenciadehierroymanganesoenel agua subterranea como resultado de la percolacion de aguas saturadascon oxigeno disuelto Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.3 queestabanencontactoconmateriaorganicaysolohasta1960,GriIIinaIirmaquela presenciademanganesoestaasociadaalaactividadbacteriana. Lasaguasdepozos contienenmayoresconcentracionesdehierroymanganesoquelasaguassuperIiciales,debido al bajo pH, a la alta concentracion de CO2 y al escasocontenido de oxigeno disuelto (Avendao, 2002). PorotroladolasaguassuperIicialessuIrenalteracionesensucalidaddebidoaqueson receptoresdevertimientosgeneradosenloscentrospoblados,industrias,productode actividades agropecuarias y escorrentias, limitando losmultiples usos actuales y potenciales delrecurso,especialmentecuandolasIuentessonutilizadasenactividadesagricolasy pecuarias, lascuales se ven limitadas por la presencia de hierro y manganeso,considerados parametros criticos durante un estudio realizado en el Rio Cauca (Cruz et al 2004).DebidoalapresenciadehierroymanganesoenlasaguassubterraneasysuperIicialesya sueIectoenlossistemasdeabastecimientoesnecesarioremoverlos.Laoxidacion Iiltracion,sonlasbarrerasdetratamientomascomunes(SommerrIeld,2000).EnlaFigura 1,semuestranlasprincipalestecnologiasdetratamientoutilizadaspararemoverhierroy manganesoespecialmenteenaguassubterraneasyconciertaslimitacionesenIuentes superIiciales. Figura 1. Alternat ivas de Trat amient o(Fuent e; adaptado de SommerrIeld, 2000) Segunlaliteratura,existelanecesidaddeseleccionarunatecnologiaeIiciente,viable economicamenteyIacildeoperarymantenerespecialmenteporlascomunidadesrurales.Portalrazonenlainvestigacionsepromueveelusodeoxidacionconhipocloritodesodio encombinacionconlaIiltraciongruesaascendentedeampliodesarrolloporelInstituto CinaradelaUniversidaddelValleparalaremociondehierroymanganesoenIuentes subterraneas.ClorocomoOxidanteenCombinacinconFiltracinCruesaAscendente:enla oxidacionseIormamaterialIloculado(Ilocspequeos ydebiles)queluegodelareaccion entrelosioneshidroxidosyelcloro,seproducecloruroIerricoelcualesrapidamente hidrolizado como hidroxido Ierrico.En el caso delos iones demanganeso, la oxidacion con ALTERNATIVASPARA LA REMOCIN DEHIERRO Y MANGANESOCloro Permanganato de Potasio Aireacion -PreIiltracionFiltracion Rapida -SedimentacionFiME -Intercambio ionico -FGAC -Ciclo completo -Filtracion directa Oxidacion Filtracion Tratamiento Sin Quimicos. Tratamiento Con uso de Quimicos -Filtracion en medios acondicionados Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.4 elcloropermitelaIormaciondedioxidodemanganesoelcualtienelapropiedadde adherirsealasuperIicie(Keller,2004).LosIlocsdehierroymanganesoIormados,noson losuIicientementepesadoscomoparaserremovidosporsimplesedimentacion.Paraesto sepuedenusarlosIiltrosgruesosascendentesencapasquedeacuerdoconGalviset.al 1999,remuevenaproximadamenteel50delhierroymanganesoprecipitado.La selecciondelnumerodeunidades,velocidaddeIiltracionylongituddelechoIiltrante, dependedelriesgosanitariopresenteenelaguacruda,delaeIicienciaderemociondel Iiltro y de los requerimientos de calidad del agua eIluente segun su uso (Galvis et al 1999).AunquelabibliograIiareportaelusodelclorocomounoxidantealtamenteutilizado,no hayestudiosdeplantasdetratamientoconstruidaspararemoverhierroymanganesoen aguassubterraneas,conelclorocomooxidante.Sinembargovariosautoresensus publicacionesreportanlasdosisrequeridasdecloropararemoverdiIerentes concentraciones de hierro y manganeso.AireacinenCombinacinconFiltracinCruesaAscendente:debidoquelasaguas subterraneas contienenmuy poco o nada de oxigeno disuelto la aireacion Iacilita el arrastre o barrido delas sustancias volatilesgracias a la mezcla turbulenta del aguacon el aire y por lotantolaoxidaciondelosmetalesylosgases.Laaireacionproveeeloxigenodisuelto necesario para convertir el hierro y el manganeso de la Iorma Ierrosa y manganosa,como se encuentraenlasaguassubterraneasasusIormasinsolubles.ExistenmuchasIormasde proveerlaaireacion,losmetodosmassimplessonlascascadas,lossistemasdeIuente,los conos aireadores y las bandejas de aireacion (Petrusevski, 2003).Cinticade Reaccin:Bajocondicionesapropiadasunassustanciaspueden transIormarse enotrasqueconstituyendiIerentesespeciesquimicas.Siocurreestosolamentepor reordenacionoredistribuciondelosatomosparaIormarnuevasmoleculas,sedicequese haeIectuadounareaccionquimica.Enquimicaseestudianestasreaccionesconsiderando sumodoymecanismo,loscambiosIisicosyenergeticosquetienenlugar,ylavelocidad conqueseIormanlosproductos(Levenspiel,1987).SegunPetrusevski(2003),las reaccionesdeoxidacionutilizandolaaireacionenpresenciadehierroymanganeso respectivamente son las siguientes: 4Fe2 O2 10 H2O4Fe(OH)3 8H(1) 6Mn2 3O2 6H2O6MnO2 12H (2) Segunlaestequiometriadelareaccionentreelhierroyeloxigeno(ecuacion1)setieneen Iormageneralque4molesdehierroreaccionanconunmoldeoxigeno,esdecir:Al desarrollarlaecuacionseobtienequeparaoxidar1p.p.mdehierroserequiere0.14p.p.m de oxigeno disuelto (Petrusevski, 2003).Para elmanganeso y segunlaecuacion 2, se tiene que6molesdemanganeso,reaccionancontresmolesdeoxigeno,esdecir:Paraoxidar1 p.p.m de manganeso se requiere 0.29 p.p.m de oxigeno disuelto (Petrusevski, 2003). ElcloroutilizadocomooxidanteenelaguasubterraneaconpresenciadehierroIorma hidroxidos Ierricos,esta reaccion produce rapidamentela Iormacion de dioxido decarbono,elcualelevaelpH;normalmentelareaccionseproducedentrodeunrangoentre4y10,con un optimo 7 (ver reaccion 3). 2Fe(HCO3)2 Cl2 Ca(HCO3)22Fe(OH)3 CaCl2 6 CO2 (3) Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.5 Para la Iormacion de los precipitados como dioxido de manganeso luego dela oxidacion se requiere que la reaccion se produzca en un pH entre 7 y 10 (optimo de 10).A continuacion se observa la reaccion Iinal delcloro conel manganeso: MnSO4 Cl2 4 NaOH MnO2 2NaCl Na2SO4 2H2O(4) Aldesarrollarlaecuacion3,setieneque1moldecloro,reaccionacon2molesdehierro,es decir: 1mg/l de hierro en el agua a tratar se requiere 0.64 mg/l decloro para precipitarlo (Petrusevski, 2003). Para el manganeso, al desarrollar la reaccion 4, se tiene que 6 moles de manganeso, reaccionan con tres moles de oxigeno, es decir, la reaccion requiere de 1.3 mg/l de cloro libre para oxidar 1mg/l de manganeso (Petrusevski, 2003). Eneldesarrollodelastecnologiasdeoxidacion-Iiltracionparalaremociondehierroy manganesoqueempleansustanciasquimicascomoelcloro,esIundamentalcuantiIicarla concentracionquesedebeaplicar.AsuvezenlossistemasdeIiltraciongruesasedeben precisarvariablescomolavelocidaddeIiltracion,longituddelmedioIiltrante,la distribucion delos tamaos de lasgravas,lascarreras de Iiltracion y la perdida decarga en elsistema.EnelcasodeladosisdeclorosedebegarantizaralIinallaconcentracion residual que permita proteger el agua de algun tipo de contaminacion microbiologica enla reddedistribucion.DependiendodelanaturalezadelaIuentesedebecorroborarelriesgo potencialdelaIormaciondesubproductosdelclorocomoeselcasodelostrihalometanos ylosacidoshalo-aceticos,quesepuedengenerarenlasIuentessuperIiciales,lascuales normalmentetienenmayorcontenidodemateriaorganicaencomparacionconlasaguas subterraneas.Enlaliteraturanosetienenreportessobrelasvariablesmencionadaspara oxidacion-Iiltracionquesonclavesparaunbuenprocesodediseoyoperaciony mantenimiento.LosvaloresmejordocumentadosestanasociadosalosIiltrosgruesosen grava reportados para la Iiltracion en multiples etapas, FiME (Galvis et al 1999). OB1ETIVOSGeneral:Contribuiralmejoramientodelacalidaddelasaguassubterraneasparaser utilizables como agua de consumo humano. Especficos IdentiIicarycaracterizartresopcionesparalaremociondehierroymanganesoen agua subterranea y una Iuente superIicial. Estudiardossistemasdetratamientoparalaremociondehierroymanganesoa escala piloto y otro a escala real. IdentiIicarrequerimientosparalaimplementaciondelossistemasylas recomendaciones de aplicacion. METODOLOGIA DadalanecesidaddeevaluarunatecnologiaeIicienteyviableparasuaplicacionen comunidadesruralesconproblemasdehierroymanganesoensusIuentessubterraneas,se realizolainstalacionyevaluaciondedosplantaspilotoyelseguimientoaunaplantaa Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.6 escalareal. LasplantaspilotoIueroninstaladasparatrataraguasuperIicialyagua subterranea.Laplantaaescalarealesunsistemaexistenteconstruidoen1993 yqueopera con una Iuente subterranea.UnidadesExperimentales:lasunidadesexperimentalessedescribenenlaTabla2y correspondenatrestiposdetecnologias:a)oxidacionconcloroencombinacioncon Iiltraciongruesaascendenteendosetapas(FGAS2) yIuente superIicial;b)oxidacioncon cloroencombinacionconIiltraciongruesaascendenteentresetapas(FGAS3)yIuente subterraneayc)aireacionencombinacionconIiltraciongruesaascendenteencapasuna etapa (FGAC1) con Iuente subterranea.Los parametros evaluados se presentan en la Tabla 3. Tabla 2. Unidades experimentales Lecho FiltranteTecnologiaFuenteVelocidad de Filtracion (m/h) Componentes del sistema Tamao (cm) Altura total (m) OxidacionFGAS 2 SuperIicial3Hipocloradordecabeza constanteydosunidadesde Iiltracion gruesa ascendente. 3,81 - 0,631.0 Oxidacion FGAS 3 Subterranea3BombadosiIicadoraytres unidadesdeIiltraciongruesa ascendente. 2,54 -0,161.0 Aireacion FGAC1 SubterraneaFGAC: 0.48 0.55 FLA: 015Bandejasdeaireaciony1 Iiltrogruesoascendenteen capas y un FLA 3,81-0,321.2 Tabla 3. Variables de Observacion TecnologiasPunt o de muestreoParamet rosFrecuencia OxidacionFGAS 2Entrada Salida FGAS1 Salida FGAS2 Cloro residual (mg/l) Hierro (mg/l) Manganeso (mg/l) Perdida de carga (cm) Caudal (l/s) Diaria (1 mes) Oxidacion FGAS 3Entrada Salida FGAS3 Cloro residual (mg/l) Hierro (mg/l) Manganeso (mg/l) Perdida de carga (cm) Caudal (l/s) Diaria(1 mes) Aireacion FGAC1Entrada Salida FGAC1 Salida FLA Cloro residual (mg/l) Hierro (mg/l) Manganeso (mg/l) Perdida de carga (cm) Caudal (l/s) Diaria(1 mes) Muestreo:Enlarealizaciondelmuestreoparaelseguimientodelasplantaspilotoya escala real se tuvieronen cuenta las siguientes consideraciones: PararealizarelparametrodehierroymanganesoseutilizaronIrascosplasticosde100 ml, los cuales debianestar previamente lavadoscon acidos al 20 (acido clorhidrico para Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.7 el hierro y HNO3, para elmanganeso) y con abundante agua destilada.Conel Iin de Iijar las muestras se aplico los mismos acidos pero concentrados. PararealizarelanalisisdeclororesidualseutilizaronpastillasDPD1ytituladorcon soluciondesulIatoIerrosoamoniacal(FAS).Debidoaquelaaplicaciondecloro incrementa el pH del agua, se realizo un seguimiento de este parametro en el aguacruda y en el eIluente de las unidades de Iiltracion. Determinacin de Parmetros y Variables Operacionales. HierroyManganeso:Ladeterminaciondelhierroserealizoporelmetodocon Ienantrolina,elcualsebasaenlareacciondelcompuesto1,10IenantrolinaconelFe2,paraIormarunioncomplejodecolorrojonaranja.ElcolorIormadoobedecelaleyde Beer, conla cual se relacionalaconcentracion de la solucion conla absorcion dela luz y se mideporcomparacionvisualoIotometrica.ParaasegurarquetodoelhierroesteenIorma solubleesnecesarioadicionaracidoclorhidricoconelIindedisolvertodoelhidroxido Ierrico.LadeterminaciondelmanganesoserealizoutilizandoelmetododelpersulIatode amoniocomoagenteoxidanteparaproduciriones permanganatosaltamentecoloreados.El colorproducidoaligualqueelhierro,obedecealaleydeBeerypuedemedirsevisualo Iotometricamente (Romero, 2002). Cloro: Elmetodo utilizado para la determinacion del cloro libre a traves de las unidades de Iiltracion,IueelmetodoDPDtitulometrico,elcualutilizaDPD,N,N-dietil-p-Ienilenodiamina,comoindicadorysulIatoIerrosoamoniacalcomotitulador.Seutilizoelhipocloritodesodioal11comooxidanteparaprecipitarelhierroyelmanganesoenel aguaatratarporelsistemaaescalapilotoyseutilizocomodesinIectanteenlaplantaa escalareal.Porestequiometriaparaoxidarhierroymanganesoserequiriolassiguientes concentraciones: 0.64 p.p.m de cloro libre por 1 p.p.m de Fe 1.3 p.p.m de cloro libre por 1 p.p.m de Mn LechoFiltrante:laselecciondelagranulometriadellechoIiltrantenormalmenteconsiste de 5 capas de gravacon tamaos diIerentes, variando entre 25 y 1.6 mm en la direccion del Ilujoydistribuidosen1, 2o3compartimientos.Losprimeros0.2a0.4mdegravaen contactoconelsistemadedrenajeconstituyenellechodesoportedelIiltroysu granulometriadependedeldiametrodelosoriIiciosdelatuberiadedistribucion.Unavez instaladalagravaenlosIiltrosseempezoconlaoperacionnormaldelasunidadesde Iiltracion.JelocidaddeFiltracin,Caudal,1iempodeContactoyprdidadecarga:Laprimera actividadrealizadadurantelosdiezprimerosdiasdelaevaluaciondelaplantapiloto ubicadaenlaEstaciondeInvestigaciondePuertoMallarino,Iuelaselecciondela velocidaddeIiltraciondeacuerdoconmuestreoexploratorioencuantoaremocionde hierro y al eIecto residual del cloro.La velocidad de Iiltracion se selecciono en Iuncion deltiempodecontactoydelresidualdecloro(1.0mg/L0.2mg/L)paraevitarotradosiIicacion.Elcaudalsemidiovolumetricamentey permitioelcontroldelavelocidadde Iiltracion.ConelIindeveriIicareltiempodecontactoretenciondelaguaatravesdel Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.8 sistema, se realizo una prueba de trazadores. La perdida de carga se midio diariamente enla camaraentradaacadaunidaddeIiltracion.Losparametrosoperacionalesdelsegundo sistema a escala piloto evaluadocon una Iuente subterranea se seleccionaron con basea los mejoresresultadosobtenidosduranteelmuestreoexploratoriorealizadoenlaplanta piloto ubicadaenlaEstaciondeInvestigacion.LaplantaaescalarealIuncionobajocondiciones normales y de acuerdoa lo realizado por el operador del sistema. RESULTADOSLosresultadossepresentansegunlastecnologiasanalizadas.Inicialmentesepresentael comportamientodelasvariablesenlasplantas piloto teniendolacalidaddelaguaaIluente superIicialysubterranea,despuessepresentanlosresultadosdelaplantaaescalareal alimentadaconaguasubterraneayalIinalseanalizanenconjuntolastresalternativas estudiadas. Plantas Piloto Calidaddelaguaafluenteenlafuentesuperficialysubterrnea:ElaguadelrioCauca utilizado como Iuente para la planta piloto OxidacionFGAS 2, presento niveles de hierro entre 1.04mg/L y 1.63 mg/L.Laconcentracion de hierro enestaIuente en promedio estuvo 5vecesmasaltasegunloestablecidoenelDecreto475de1998(Hierro_0.3mg/L).La dosiIicaciondehipocloritoseestimoapartirdeunaconcentracionpromediade1.5mg/L de hierro.Esta Iuente presento variaciones signiIicativas en turbiedad (entre 25 y 55 UNT), color(80-120 UPC)ycoliIormesIecales(entre4000 y6000UFC/100ml)queocasionan mayordemandadecloroyporlo tantomayorriesgoenlaIormaciondesubproductosdel cloro,poresarazonsedosiIicoalaentradaunasoluciondehipocloritodesodioconuna concentracion promedio de 2.0 mg/L y una velocidad de Iiltracion de 3m/h, paramantener el cloro residualentre0.4 y 0.6 mg/L,valor que se encuentra dentro delo permitido por el Decreto 475 de 1998 (Cloro residual entre 1.0 y 0.2 mg/L) paragarantizar la proteccion del agua en la red de distribucion. El agua del pozo utilizado como Iuente para el sistema piloto Oxidacion- FGAS 3, presento menorconcentraciondehierroquelaIuentesuperIicialconvaloresentre0.4mg/Ly0.51 mg/L.LaconcentracionpromediadehierroIuede0.45mg/L.Laconcentracionde manganesoenelaguacrudaaunquesiempresemantuvo_0.1mg/LyenpromedioIuede 0.05mg/L,IuemonitoreadaparaveriIicarlaeIicienciadesuremocion.Partiendodela concentracionpromediadelhierrode0.45mg/Lyde0.05mg/Lparaelmanganesose realizoladosiIicaciondelhipocloritodesodio,segunlaestequiometriadelareaccion.La soluciondehipocloritodesodioaplicadasemanejoenunaconcentracionpromedioen plantade0.7mg/L.LaIuentesubterraneapresentoturbiedadentre0.38 y0.55UNT,color en promedio de 7.6 UPC y no tuvo contaminacion Iecal por E.Coli. ComportamientodelHierroyelManganeso:enlaFigura2,sepresentael comportamientodelhierroparalossistemaspilotoOxidacionFGAS2 yeldeoxidacion FGAS 3. En estas graIicas se muestra la variacion del hierroen las plantas piloto despues deladosiIicaciondelcloroyeneleIluentedelasetapasdeIiltraciongruesa. SeobservaademasqueenlaplantapilotoconoxidacionFGAS2,laconcentraciondehierroenla ultima etapa de Iiltracion siempre tuvo un eIluente por encima de 0.3mg/L,(valor maximo Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.9 permitidoparaaguapotableseguneldecreto475de1998)conunaconcentracionmedia de hierro de 0.56mg/L.Este valorindica quela oxidacion conla dosis de cloroaplicada de 2mg/LnoIuesuIicienteparagarantizarsuremocion.Larazonprincipaleseltipode IuentesuperIicial,enestecasoelcloropuedeestarreaccionandoconotroscompuestos presentesenelaguatalescomolainactivaciondemicroorganismos,lareaccionconlos solidos suspendidos o la materia organica presente en el agua. Losresultadosindicanqueesnecesariomejorarelsistemasisequiereobteneruna concentracion de hierro remanente con valores inIeriores a 0.3 mg/L. Para llegara ese valor el sistema requiere de la adicion de una solucion de cloro masconcentrada para removerlo,lo cual noes muy recomendable puesto que ademas de incrementar los costos de operacion delatecnologia,puedeprovocarotroseIectoscomoolorysabordelagua,dandolugara quelosconsumidoreslarechacen.IgualmenteotroseIectosdelareacciondelclorosonla IormaciondesubproductosdeladesinIeccion,quepuedendarsecomoresultadodela reaccionconlamateriaorganicanaturalpresenteenelaguasuperIicial.Estoscompuestos estan asociadosa eIectos adversos parala salud (Sarmiento, 2003).La oxidacion concloro paralaremociondehierroenestetipodeIuentespresentaestaslimitacionesconlos subsiguientesriesgosdeIormaciondesubproductosdelcloro,loscualesdebensertenidos en cuenta alaplicar esta tecnologia. EnelsistemapilotodeOxidacionFGAS3setuvomejoreIectividadenlaoxidacioncon cloro y al Iinal el eIluente del FG3garantizo una concentracion del hierro por debajo de 0.3 mg/L,conunpromediode0.05mg/L.EnestecasolaIuentesubterraneatienemenos probabilidaddequeelclororeaccioneconotroscompuestosyconladosisestimadase garantizolaremociondelhierrohastavaloresadmisiblesporlanormadeaguapotable (decreto 475 de 1998). Figura 2. Comportamiento del Hierro (Sist ema OxidacionFGAS 2 y FGAS3) Laconcentraciondemanganesoenelaguacrudaaunquesiempresemantuvo_0.1mg/L (0.1 es la concentracionmaxima permisible en agua potable, segunel decreto 475 de 1998),IuemonitoreadaparaveriIicarlaeIicienciadesuremocion.Alasalidadelasunidadesde preIiltracionengravasseobtuvounaconcentracionremanentepromediade0.005mg/L,con variaciones entre 0.004 mg/L y 0.007 mg/L (verFigura 3). Comportamient o del Hierroen el sist emaOx idac in + FGAS2 0, 30, 50, 70, 91, 11, 31, 51, 722/09/2004 29/ 09/2004Hierro (mg/L)Cruda FG1 FG2Comport amientoSis tema Ox idac in + FGAS 300,10,20,30,40,50,622/ 02/2005 01/03/2005 08/03/2005Hierro (mg/L)Cruda Ef luent eSeminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.10 Figura 3. Comportamiento del Manganeso En el sistema piloto de oxidacion FGAS2 la remocion de Fe vario entre 0.46 mg/l y 0.68 mg/l con una eIiciencia media del 58.En la planta piloto de oxidacion FGAS3 debido a quenoexistiointerIerenciadelhipocloritodesodioconotroscompuestostalescomo microorganismosoturbiedad,elsistemaremovioenpromedioel84delFe yel90del Mn, ver Figura 4.Remocin de Hierroy Mnaganeso 0102030405060708090100Ef. PlantaPorcentaje (%)Manganeso Hierro Figura 4. Remocion de Hierro y Manganeso ComportamientodelcolororesidualydelpH:enelsistemapilotodeoxidacionFGAS 2,porestequiometriaseaplicounaconcertaciondehipocloritodesodiode2mg/L,mientrasqueelsistema poroxidacionFGAS3seaplicounaconcentracionde0.7mg/L.ParagarantizarunaeIicientereaccionsedeterminoporpruebadetrazadoreseltiempode contacto,obteniendoseunavalorentre3040minutos paraunavelocidaddeIiltracionde 3m/h,tiempoquetambienescoincidenteconeltiempodecontactominimoparala inactivacion demicroorganismos (OMS, 2004). En el eIluente del FGAS 2 y del FGAS 3 el clororesidualvarioentre0.15mg/Ly0.3mg/L,esdecirqueenelprocesoseconsume entreun60y70yselogroobtenerunresidualqueprotegeelaguadeunaeventual contaminacionenlareddedistribucion.Loanteriorindicaqueeltiempodecontactoes claveparapermitirlareacciondelcloroconelhierroyelmanganesoeinactivarlos microorganismospresentesenelagua.PorlotantoconlaoxidacionIiltracionsepuede Comportamiento SistemaOxidacin- FGAS300,020,040,060,0822/ 02/2005 01/03/ 2005 08/03/2005Manganeso (mg/L)Cruda Ef luenteSeminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.11 lograrundobleeIectoremoverelhierroyelmanganesoeinactivarmicroorganismos controlando,dosisdecloro,velocidaddeIiltracionytiempodecontacto.Dadala necesidaddegarantizareltiempodecontacto paraIacilitarlaremociondelFeyel Mn,se requiereeldiseoylaconstrucciondeunacamaradecontactoquegaranticeestetiempo. AlrespectoSommerrIeld(1999),aIirmaquecuandolacantidaddehierroymanganesoes relativamente baja (entre 0.3 mg/L y 1.0 mg/L) y el tiempo de retencion enlos Iiltros no es suIiciente para obtenerla oxidacion y la remocion de Fe y Mn, se requiere de un tanque de retencion para este proposito antes de las unidades de Iiltracion. DurantelaevaluacionserealizoseguimientoalpH,debidoaquelaeIicienciaenla remociondependedeesteparametrosegunloreportadoporPetrusevki(2003)yquese puedealterarconladosiIicaciondelcloro(pHoptimode7).Enestainvestigacioneste parametrosemonitoreoysemantuvoentre7.3y7.6enelaguacrudayentre7.5y7.6 unidades ala salidaen el sistema FGAS2, con variacionesentre 6.9 y 7.4 en el aguacruda yentre7.0 y7.6unidadesalasalidadelsistemaFGAS3.Estosdatos porlo tantoindican queelhipocloritodesodionoaIectosigniIicativamenteelcomportamientodelpH obteniendoseaguaenelrangopermitidoporlanormatividadColombiana(pHentre6.5 y 9.0) y dentro del valor requerido paragarantizar laeIiciencia enel tratamiento. Planta Escala Real. CalidaddelAguaAfluentedelaFuenteSuperficial:elcomportamientodelhierroydel manganeso presento los siguientes valores: a) el Fe semantieneen un rango entre 1.6 mg/L y2.5mg/Lyb)el Mnentre0.04mg/Ly0.6mg/L;ademaslaIuentepresentovariaciones en turbiedad entre 14 y 20 UNT, color entre 17 y 6 UPC y coliIormes Iecales entre 0 y 10 UFC/100ml.Lasconcentracionessobrepasanellimiterecomendadoparaaguapotable (Decreto475de1998)yporlotantolaIuenterequieredetratamientoparapoderser utilizada. Comportamiento del hierro yel manganeso: enla Figura 5, se observaelcomportamiento del hierro y elmanganeso enlas diIerentes etapas de tratamiento del sistema oxidacion con aireacionFiME.EleIluentedelosFGAC tuvounaconcentraciondeFeentre0.42mg/L y 0.90 mg/L y promedia de 0.56 mg/L,este valores superior a 0.3 mg/L que esel valor de reIerenciadelanorma475de1998.Estecomportamientoindicaqueparaestesistemase requieredebarrerasadicionalesquegaranticealIinaldelprocesolaremociondelhierroa concentracionespordebajode0.3mg/L.Enestecasoelprocesoadicionalconsistedeun FLA, registrando concentraciones de Feentre 0.004 y 0.2 mg/L,en promedio de 0.16 mg/L (valordereIerencia0.3mg/L).ParaelMnelsistemaIuemaseIicientehastalaetapade FGAC,obteniendoseuneIluenteconentre0.004y0.1mg/L,yconcentracionmediade0.05mg/L.EnelcasodeoxidacionconaireacionFiMElaliteraturareportael predominiodelosmecanismosdeIiltracionmaslaactividadbiologica(Sanchezet al.1999),porlotantoenestoslechosdeIiltracion,tambienpuedehaberbacteriascapaces decontribuiralaoxidaciondelFeyelMnpresentesenelaguayIacilitarsuremocion mediante las unidades de Iiltracion. Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.12 Figura 5. Comportamiento del FGAC en la Remocion de Hierro y Manganeso En lo relacionado con la remocion,en la Figura 6,se presenta la eIiciencia de remocion de losparametrosmedidosdurantelaevaluaciondelsistemadepotabilizacionconFiME. EstosvaloresindicanlaeIicienciadecadaunadelasetapasdetratamiento.ElFGAC removioel73delhierroyel89demanganeso.Estosvaloresestanporencimadelo reportado por Galvisetal.1999,quepresentareduccionestipicas paralosFiltros Gruesos Ascendentes,alrededordel50paralosdosparametrosmencionados;sinembargo,la Iuente de agua es superIicial y no subterranea como eneste caso. En la tecnologiaevaluada,serequieredeunabarreraadicionalparaobtener,especialmentehierropordebajode0.3 mg/L.DebidoaqueelsistemacuentacondosunidadesdeIiltracionlentaenarenacomo barreras Iinales en el tratamiento, la remocion total a la salida dela planta de tratamiento es del89paraelmanganesoydel92paraelhierro.EstatecnologiaesIacildeoperary mantener,perodebidoalasbajasvelocidadesdeIiltracion,requieredeareas6veces mayoresalaoxidacionconcloroFGAS2-3,locualimplicaelincrementodeloscostos deinversioninicialdelsistema.SinembargoelsistemaaireacionFiME puedesermas apropiado cuando se tienen Iuentes superIiciales conalto contenido de hierro y manganeso,pues al no requerirse sustancias quimicas en su proceso, reduce los riesgos de Iormacion de subproductos en este caso del cloro. Figura 6.Remocion de Hierro yManganeso Sist emaAireacin -FGAC00,511,522,5314/09/2004 14/ 10/2004Hierro (mg/L)Cruda FGAC FLASistema Aireacin - FGAC00,20,40,60,814/09/2004 14/10/2004Manganeso (mg/L)Cruda FGAC FLAEf iciencia de Remocin deFe, Mn Aireacin +FiME110100FGACPorcentaje (%)Remocinde Fe Remocin de MnSeminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.13 Prdida de carga y duracin de lacarrera filtracin Enlasplantaspilotossehizoseguimientoa2carrerasdeIiltracion.Ellavadodelas unidadesserealizocuandoseobtuvoelmaximoniveldeperdidadecargaenlascamaras deentrada.LaperdidadecargamaximaencadaunadelasunidadesdeIiltracionesde10 centimetros. En la Figura 7 se observa el comportamiento de la perdida decarga.Los Iiltros pilotoque trabajaronconaguasuperIicialtuvieronunaduraciondecarrerade9y6dias; mientras quelos tres Iiltros del sistema oxidacionFGAS 3,tuvieron carreras de Iiltracion de 15dias. Figura 7. Perdida de Carga (FGAS 2, FGAS 3 y FGAC) Enlaplantaaescalareal,elIiltrogruesoascendenteencapasregistrocuatrocarrerasde Iiltracion,debidoaqueeloperadorrealizabaelmantenimientounavez porsemana,conel IindeeliminarlasalgasIormadassobrelasuperIiciedellechoyparedesdelIiltro.La perdida de carga maxima de diseo para esta unidad es de 32 centimetros y segun la Figura 7, la perdida de carga registrada en cada semana no excedio los 5 centimetros. DISCUSIN Y CONCLUSIONES Deacuerdoconlastecnologiasevaluadasaescalapilotoyaescalarealysegunsus caracteristicaspresentadasenlametodologia(Tabla2),enlaTabla4sepresentauna sintesis con los resultados obtenidos para cada una de estas opciones para remover hierro y manganeso. P r di da de Carga en lo s FGAS 202468101 3 5 7 9 11 13FG 1 FG 2Prdida de Carga FGAS 300,511,522,533,51 8 15 22FG 1 FG 2FG 3Prdida de Carga FGAC 0 1 2 3 4 5 6 1357911 1315 17 1921 23 FG 1 Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.14 Tabla 4. Result ados de las Tecnologias Remocion() EIluente concentracion media (mg/L) Tecnologia FeMnFe Mn Puntos de DiscusionOxidacionFGAS 2 58*0.56*MenoreIicienciaen laremociondelhierroconrespecto a las otras opciones evaluadas. PoreltipodeIuentesuperIicial,elsistemarequiere mayorconcentraciondehipocloritodesodio, incrementandoloscostos deoperacionde latecnologia y otros eIectos como olor y sabor.InterIerenciasdeotroscontaminantesconelcloro,generandomayorriesgoporlaIormacionde subproductosdeladesinIeccioncomoresultadodela reaccion de la materia organica y el cloro. OxidacionFGAS 3 84900.0070.005Mejores eIiciencias de remocion del sistema. PoreltipodeIuentesubterranea,menorriesgode IormaciondesubproductosymejoreIectividaddela oxidacion con hipoclorito de sodio. Mayor velocidad de Iiltracion para los FGAS. Menores costos de inversion inicial. El area requerida es de5a 6vecesmenorconrespectoalosFGAC oFGAS convencionales (VI entre 0.3 y 0.6 m/h). Aireacion- FiME 73890.560.05BuenaseIicienciasderemociondelhierroyel manganeso. Menor riesgo por Iormacion de subproductos. MejorpotencialdeusoenIuentessuperIicialescon presencia de hierro y manganeso.Costosdeinversioninicial5a6vecesmayoresalatecnologia OxidacionFGAS 3. * El manganeso no Iue detectado en la Iuente superIicial; ** La Iuente no presento contaminacion microbiologica como E. Coli ConlosresultadosobtenidosseevidenciaquelatecnologiaoxidacionFGAS3tieneun buenpotencialdeaplicacionaescalarealpararesolverproblemasviejoscomoesla presencia de hierro y manganeso en aguas subterraneas, que ocasionan serios problemas en lainIraestructuradelossistemasdeabastecimientodeagua,enespecialredes,valvulasy micromedidores.AdemasalsolucionarseestosproblemasseIlexibilizalaoperaciondel sistema y se minimizan las incrustaciones en las tuberias y Iormacion de biopeliculas; todo estoalteralacalidaddelaguacuandohaycambiosbruscosdevelocidadenlastuberiaso porgolpesdeariete.Estoredundaenmenoresriesgosparalosusuariosymenorrechazo haciael agua subterranea. EnesteestudioseobtuvieronbuenosresultadosconvelocidadesdeIiltracionde3m/hen lasunidadesFGAS2-3,dadoelimpactodeestavariablesobreloscostosdeinversion inicialylaoperacionymantenimientoenIuturosestudiosesconvenienteevaluar velocidadesmayores(de5y10m/h)ytambienconcentracionesdehierromayoresa5 Seminario Internacional: Vision Integral en el Mejoramiento de la Calidad del Agua Universidad del Valle/Instituto CinaraBurbano, L. ySanchez, L. D.15 mg/L, pues en las unidades piloto y escala real se observaronlargascarreras de Iiltracion y bajosnivelesdeperdidadecargaloquehacepensarenampliarelrangodeesto parametros.OtroeIectoporestudiareseleIectodelamaduraciondelosIiltros,puesde acuerdocon estudios desarrollados por Sanchez et al.1996, enlamedida que un sistema de Iiltracion madura se hace mas eIiciente la remocion de contaminantes. Segunexperienciasobtenidasenlaadministracion,operacionymantenimientode diIerentesopcionesdesistemasdetratamiento,especialmentedeplantasFiMEenelValle delCauca,lascualesincluyenensusbarrerasdetratamientoslasunidadesdeIiltracion gruesaascendente,seencontroqueel85deloscostos poresteconceptocorrespondena personal.Losdemasrequerimientoscomoinsumosvarios,energiaelectrica,aguaparael lavado del sistema, etc.,cubren el 15 restante. Por otro lado la tecnologiaa escala real y a escalapilotonorequierendeequiposespecialesparasuIuncionamiento,unicamentedel bombeo de agua cruda y/o tratada hacia el tanque de almacenamiento y la adicion decloro,conuntripleeIecto:deoxidacion,inactivaciondemicroorganismosyeIectoresidualpara protegerla red de distribucion.La aplicacion delcloro se hace de una manera sencilla bien sea por un hipoclorador de cabeza constante o por bomba dosiIicadora. IndiscutiblementeunodelosaspectosquehayqueestudiaraIondosonloscostosde inversioninicialydeoperacionymantenimiento.Deacuerdoconlosmodelosdecostos desarrolladosparaFiMEenelValledelCauca(enelrangode1a10l/syvelocidadde Iiltracionde3m/h),losestimativospreliminaresparalatecnologiaOxidacionFGAS3 son los siguientes:a) costos de inversion inicial por cadal/s 20,8millones de pesos y b) de operacionymantenimiento$192/m3enestosseincluyencostosdelsistemadebombeo, energiaelectrica,dosiIicaciondecloroypruebasmicrobiologicas.Todosestoscostos debenseranalizadosconmas proIundidadcuandosedesarrollenproyectosaescalarealy se analicen otras velocidades de Iiltracion. BIBLIOGRAFIA ASCUNTAR,Omar(1995).ElAguaSubterraneaunaAlternativadeAbastecimiento Publico. Cali. Colombia. AVENDAO,Norma(2002).RemociondeHierroy Manganeso(Pag.14).Unidadde Vigilancia delaSalud y Ambiente. Mexico. 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