Tratamiento de Aguas Mediante los Procesos de Coagulación y Floculación – Fundación Instituto de Ingeniería para la Investigación y Desarrollo

Autores: María J. Goncalves, Daniela Maspero. Unidad de Química y Ambiente. Centro de Tecnología de Materiales (CTM). FIIIDT.

1.- Introducción

La turbidez y el color del agua son causados principalmente por sustancias coloidales las cuales permanecen dispersas en el seno del líquido por tiempo prolongado y no pueden ser removidas mediante decantación o filtración. Su tamaño de partícula oscila entre 0.001 – 1µm [1].

Esta dispersión se debe a fuerzas de repulsión electrostáticas entre las partículas, las cuales impiden su aglomeración y por tanto, la formación de estructuras más grandes, denominadas flóculos, que puedan ser separadas de la fase liquida. Para generar estos flóculos se realiza el proceso de coagulación-floculación como parte del tratamiento de aguas.

La coagulación tiene por objeto iniciar la aglomeración de las partículas suspendidas mediante la inyección y dispersión rápida de productos químicos que tienen la propiedad de neutralizar las fuerzas de repulsión que las mantienen separadas. Por otro lado, con la floculación se favorece mediante la mezcla lenta el contacto entre las partículas aglomeradas para formar flóculos pesados y voluminosos los cuales sedimentan fácilmente para así poder ser removidos del agua por los métodos de separación mencionados anteriormente [2].

2.- Coagulación

La coagulación consiste en la disminución de las fuerzas de repulsión electrostáticas entre las partículas del sólido mediante la adición de compuestos químicos denominados coagulantes, facilitando de esta manera las colisiones entre estas y así iniciar la generación de coágulos pequeños, cuyo tamaño se incrementará (flóculos) en la etapa de floculación. La coagulación no solo elimina la turbidez en el agua sino también materia orgánica y microorganismos [2]. En la figura 1 se presentan las etapas de coagulación y floculación.

2.1- Agentes Coagulantes

De entre los agentes coagulantes utilizados se pueden mencionar los siguientes: sulfato de aluminio, aluminato de sodio, cloruro de aluminio, hidroxicloruro de aluminio (PACl), cloruro férrico, sulfato férrico y sulfato ferroso. Cuando estas sales se adicionan al agua se producen una serie de reacciones muy complejas donde los productos de hidrólisis son más eficaces que los iones mismos y reaccionan con la alcalinidad del agua produciendo hidróxidos insolubles los cuales atrapan las partículas suspendidas favoreciendo su sedimentación [2].

Adicionalmente, el hidroxicloruro de aluminio forma parte de una nueva generación de coagulantes inorgánicos polimerizados que han mostrado un mejor desempeño con respecto a los convencionales (por ejem, el sulfato de aluminio o el cloruro férrico) para el tratamiento de aguas [3].

2.2- Influencia de diferentes factores en el proceso de coagulación

A continuación, se hace referencia de algunos de los diversos factores que influyen en un proceso de coagulación eficiente para la clarificación de aguas.

2.2.1- pH: es necesario mantener un rango de pH optimo durante el proceso de coagulación y el cual, depende del agua a tratar, de su alcalinidad y del tipo de coagulante utilizado. Por ejemplo para coagulantes de sales de aluminio el rango de pH óptimo es de 6.5 a 8.0.

2.2.2- Tipo y dosis de coagulante: a mayor valencia del ion metálico del compuesto, más efectivo resulta como coagulante. Hay coagulantes que forman flóculos más pesados y de mayor velocidad de asentamiento que otros [4]. En cuanto a la dosificación, si esta no es la óptima no se podrá eliminar la turbidez en el agua a tratar, debido a que no se obtienen suficientes coágulos o son tan pequeños que su velocidad de asentamiento es muy baja [2].

2.2.3- Condiciones de mezcla: la agitación de la masa de agua debe ser intensa y de corta duración (30 segundos a 3 minutos) [1] para que el coagulante se distribuya uniformemente en esta antes de que se formen los coágulos. También es muy importante el punto de adición del coagulante.

2.2.4- Turbidez: cuando la turbidez es alta se puede adicionar poca cantidad de coagulante debido a que la probabilidad de colisión entre las partículas es muy elevada por lo que la coagulación se realiza con facilidad. En cambio, cuando es baja, es muy difícil realizar la coagulación y por tanto se necesita mayor cantidad de coagulante.

2.2.5- Sales disueltas: las sales contenidas en el agua pueden modificar el rango de pH optimo, tiempo de coagulación y cantidad de coagulante requeridos y la cantidad residual de coagulante en el efluente [2].

2.2.6- Temperatura: mientras más fría sea el agua para tratar, mayor será el tiempo de formación de los coágulos [4].

2.3- Agentes Coadyuvantes

Los agentes coadyuvantes son compuestos que mejoran el desempeño de los coagulantes y floculantes durante el proceso de clarificación del agua. Esto lo realizan de diferentes formas:

1.- Llevando el pH del medio al del rango óptimo para la coagulación. Esto se realiza mediante compuestos alcalinos tales como cal, hidróxido y carbonato sódico, entre otros.

2.- Oxidación de compuestos orgánicos presentes en el agua los cuales pueden interferir en los procesos de coagulación y floculación. Algunos de los compuestos utilizados son cloro, permanganato de potasio y ozono.

3.- Utilización de agentes gravimétricos para dar peso, densidad y aumento de la superficie de adsorción de las partículas o suspensiones y así incrementar su velocidad de sedimentación y la adsorción de compuestos orgánicos. Estas se aplican en aguas con baja turbidez. Para este fin se utilizan carbón activado en polvo, arcillas, cal, polímeros, etc. [1]

Figura 1. Etapas de coagulación y floculación [5].

3.- Floculación

La floculación es un proceso químico que ocurre por adición de compuestos denominados floculantes al agua. Su función es aglutinar sustancias coloidales presentes en ella, facilitando la decantación y filtración de dichas sustancias [6]. El proceso de floculación es uno de los pasos que se lleva a cabo para la potabilización de agua de origen superficial y el tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de minería.

El agua en su seno puede contener sólidos en suspensión, partículas coloidales y sustancias disueltas. La floculación es la aglomeración de partículas que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes denominados sedimentadores [6]. El proceso de floculación es precedido por el de coagulación, por esta razón se habla de procesos de coagulación-floculación.

Los procesos de coagulación-floculación facilitan el retiro de sólidos suspendidos y de las partículas coloidales alcanzando una efectividad de 80% a 90 %. A través de este proceso también se elimina el color y las bacterias generadas por dichas partículas presentes en el agua [8]. Este es usado en la etapa final de la separación de sólidos-líquidos, deposición, flotación o filtración. [7].

En el proceso de floculación existen tres mecanismos de transporte [8]:

Pericinético: movimiento natural de las moléculas del agua inducido por energía térmica conocido como movimiento Browniano.
Procinético: colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, provocado por una energía externa la cual puede ser mecánica o hidráulica.
Sedimentación diferencial: precipitación de las partículas grandes que colisionan con las más pequeñas, las cuales van descendiendo lentamente para luego aglomerarse con las otras.

3.1- Agentes Floculantes

Los floculantes utilizados en el proceso de floculación se clasifican a saber, en tres tipos [8]:

Minerales: se encuentran en la sílice activada, deben prepararse antes de su uso y su elaboración es muy delicada.
Orgánicos naturales: polímeros naturales extraídos de sustancias animales o vegetales.
Orgánicos sintéticos (polielectrolitos): los más utilizados en la actualidad, son macromoléculas de una gran cadena obtenidos por asociación de monómeros. Se clasifican según su carga iónica en aniónicos (copolímeros de la acrilamida y del ácido acrílico), catiónicos (copolímero de acrilamidas + monómero catiónico) y neutros o no iónicos (poliacrilamida).

El uso de productos asociados a la floculación puede generar impacto ambiental, los de origen natural no tienen impacto en el entorno ya que son biodegradables. Los sintéticos, en cambio, demoran más en su proceso de degradación, además, como parte de los sistemas de tratamiento de aguas residuales, su aplicación genera un residuo que debe cumplir con las normativas que regulan las descargas ya sea en alcantarillados, cuerpos de aguas superficiales o aguas subterráneas.

4.- Proceso de clarificación de aguas

Cuando el flujo de agua entra al sistema de clarificación, esta es sometida al proceso de coagulación. La operación se efectúa en unidades y tanques de mezcla rápida, en los cuales el agua se somete a una agitación muy intensa para que el coagulante se distribuya uniformemente en ella antes de que se formen los coágulos. Este proceso se realiza en un tiempo muy corto (30 segundos a 3 minutos), debido a que los coágulos se forman apenas se añade el compuesto [1].

Para la coagulación es necesario tener en cuenta las características fisicoquímicas del agua y los demás factores mencionados en el punto 2.2.

Después de que se han formado los coágulos en la masa de agua, la mezcla va hacia otro tanque, se adiciona el floculante y se agita muy lentamente durante un mayor intervalo de tiempo (entre 10 a 30 minutos). Estas condiciones hacen que los coágulos aumenten de tamaño formando los flóculos, los cuales sedimentaran rápida y completamente.

Finalmente, la mezcla va a un clarificador o sedimentador en donde se deposita un sólido pesado y voluminoso (lodos) en el fondo del recipiente, el cual es filtrable, y se obtiene un líquido sobrenadante sin turbidez. En la figura 2 se presenta el esquema del proceso de clarificación de aguas en una planta de tratamiento.

Figura 2. Esquema del proceso de clarificación de aguas en una planta de tratamiento [9].

5.- Prueba de Jarras

La prueba de jarras es un procedimiento que se utiliza en los laboratorios para determinar las condiciones de operación optimas en el tratamiento de aguas, esta prueba permite ajustar el pH, hacer variaciones en las dosis de las diferentes sustancias químicas que se añaden a la muestra de agua para su optimización y como herramienta para diseñar plantas de potabilización de agua [10] [11].

La prueba de jarras se utiliza para cuantificar la dosis efectiva de coagulante para un agua específica durante el control de la coagulación y floculación en una planta de tratamiento, especialmente cuando la calidad del agua fluctúa rápidamente. Se puede utilizar también con el objeto de determinar las velocidades de sedimentación para el diseño de tanques de sedimentación y conocer el potencial de agua cruda para la filtración directa [12].

El equipo de prueba de jarras contiene 4 o 6 paletas de agitación que mezclan el contenido de envases de volumen constante (1 o 2 litros) a una misma velocidad de mezclado para todos los recipientes. Esta velocidad es controlada por un medidor de revoluciones por minuto, uno de los envases actúa como control mientras que las dosificaciones de los restantes recipientes son diferentes [13]. El equipo posee un sistema de iluminación que permite observar de mejor manera los parámetros visuales que proporcione la prueba (como la formación de flóculos). Los elementos de este equipo se pueden observar en la figura 3.

Figura 3. Equipo para hacer prueba de jarras [14].

Bibliografía

1.- COAGULACION-FLOCULACION (FT-PRI-001). UNIVERSIDADE DA CORUÑA, ESPAÑA.

INDITEX. Julio del 2014.

2.- Ing. Yolanda Andía Cárdenas. Abril del 2000. SEDAPAL Evaluación de Plantas y

Desarrollo Tecnológico. TRATAMIENTO DE AGUA: COAGULACIÓN- FLOCULACIÓN.

Lima, Perú

3.- Ing. Juan Miguel Cogollo Flórez. Octubre del 2010. CLARIFICACION DE AGUA

USANDO COAGULANTES POLIMERIZADOS: CASO DEL HIDROXICLORURO DE

ALUMINIO.

4.- Hernán Alonso Restrepo Osorno. 2009. EVALUACION DEL PROCESO DE

COAGULACION- FLOCULACION DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE MEDELLIN. FACULTAD DE MINAS.