Hasta el momento se ha estudiado como remover materiales de tamaño grande en el agua, sin embargo, los materiales sólidos de menor tamaño como los coloides y sólidos suspendidos que no se removieron en las etapas preliminares, es decir, en el pretratamiento, antes de pasar a la planta de tratamiento, son removidos en sistemas de sedimentación denominados sedimentadores primarios.
Existen variantes de los tratamientos, sin embargo, todos ocupan los mismos principios químicos y físicos para sanear el agua. Recuerda que los tratamientos se definen como primarios aquellos que incluyen la coagulación, la floculación y la sedimentación: los secundarios que son tecnologías basadas en procesos biológicos los cuales pueden ser aerobios (en presencia de oxígeno) o anaerobios (sin presencia de oxígeno) y finalmente, los terciarios que son basados en los procesos electroquímicos como el intercambio iónico y la adsorción con carbón activado.
En este tema analizaras los tratamientos primarios, así como algunos de sus usos y aplicaciones.
El proceso de sedimentación primaria puede combinarse con un proceso de coagulación y floculación. Lo que dará origen a un tratamiento primario avanzado.
2. 2. 1. Coagulación.
Los sólidos suspendidos y coloides que no pueden sedimentar, así como parte de los sólidos disueltos, pueden ser removidos a través del proceso de coagulación.
| La coagulación se define como un proceso unitario usado dentro de la tecnología de tratamiento primario del agua para provocar la agregación de material suspendido que no pudo sedimentarse y de coloides presentes en las aguas naturales y aguas residuales, este proceso se lleva a cabo al adicionar sustancias químicas al agua llamadas coagulantes. |
La coagulación prepara al agua para la floculación (generación de partículas más pesadas llamadas flóculos) y sedimentación (es cuando los flóculos caen por gravedad o inducidos por alguna corriente dentro de los tanques llamados sedimentadores), incrementando la eficiencia de los sedimentadores. La coagulación tiene como función principal desestabilizar, agregar y unir las sustancias coloidales presentes en el agua.
La coagulación tiene muchas aplicaciones dentro de la industria, es ampliamente usada para remover turbiedad, color, bacterias, algas y sustancias productoras de olores y sabores. Las sustancias que producen turbiedad son de origen inorgánico mientras que las que producen olor, sabor o color son de origen orgánico.
Los coloides son partículas que tienen un tamaño que varía de 1 y 100 nm (nanómetros). Dos propiedades que se encuentran relacionadas a los coloides son el movimiento browniano y el área superficial extremadamente grande; estas impiden que las partículas sean removidas por sedimentación simple debido a que son ligeras y no pueden, por sus características, unirse entre ellas. La coagulación tiene como objetivo unir a las partículas coloidales para sedimentarlas, es decir hacer que se unan y caigan al fondo de los tanques.
La teoría de la coagulación establece que los sólidos suspendidos y coloides, transportan cargas eléctricas en su superficie y que comúnmente está carga es negativa. Debido a esto, el grado de estabilidad de una partícula es determinado por su potencial zeta, el cual está relacionado con la carga de la partícula y la distancia a través de la cual la carga es efectiva. Es decir que, dependiendo de la cantidad de energía y la distancia entre los materiales, será la posibilidad de formar coágulos.
Para entender mejor a los coloides analiza lo siguiente:
Los coloides se caracterizan por poseer dos capas eléctricas alrededor que le transfieren estabilidad, la capa interna se compone de cationes y aniones, pero en general tiene una carga neta negativa; la potencial zeta, es una medida en milivoltios, del potencial eléctrico entre la capa fija o interna y la capa exterior de los iones de carga contraria que rodean el coloide. En la siguiente imagen se representa está situación:
Ilustración 1 Potencial Zeta en partículas coloidales.
La disminución de la estabilidad de los coloides y una disminución del potencial Zeta se logra ajustando el pH hasta que la carga neta de la partícula se anula, y el potencial Zeta se hace cero añadiendo iones de carga eléctrica contraria a la de los coloides que se quieren remover. Los materiales comúnmente empleados para adicionar iones son llamados coagulantes, los compuestos utilizados con mayor frecuencia son las sales de aluminio y hierro, y al proceso completo se denomina coagulación.
A continuación, se mencionan algunos compuestos, así como los que ayudan a la coagulación.
· Sulfato de aluminio
· Sulfato ferroso
· Sulfato férrico
· Cloruro férrico
· Cal
El proceso de coagulación se puede desarrollar principalmente en dos diferentes tipos de dispositivos:
· Tanques con mezcla mecánica: se componen de un tanque, por lo general metálico y de un sistema de mezclado, integrado por motor eléctrico, flecha y propelas. Dependiendo de la cantidad de agua a tratar dependerá el tipo de mezclador. En la figura siguiente se muestran diferentes tipos de mezcladores y sus sistemas de mezcla.
Ilustración 2 Mezcladores mecánicos.
· Mezcladores hidráulicos: que pueden ser estáticos o tanques con mamparas. Estos sistemas tienen como objetivo poner en contacto de forma rápida al coagulantes y coloides de tal forma que se lleve a cabo la neutralización de cargas o desestabilización del coloide. A esta primera etapa del tratamiento primario se le conoce también como etapa de mezcla rápida.
La figura siguiente muestra los diferentes mezcladores hidráulicos que se utilizan en el proceso de coagulación.
Ilustración 3 Mezcladores hidráulicos.
· Mezcladores hidráulicos con mamparas: estos son dispositivos que presentan paredes dentro de los tanques, a través de las cuales se realiza la mezcla de materiales, son de bajo mantenimiento comparados con los mezcladores mecánicos.
Se denomina hidráulico debido a que actúa por presión de líquido. Los mezcladores hidráulicos también pueden ser estáticos, los cuales tienen una especie de reja que ayuda a que se efectúe la mezcla del coagulante y el coloide. A continuación, se presenta un mezclador estático, observa las rejas que aparecen en la parte inferior de la figura.
Ilustración 4 Mezclador estático.
2. 2. 2. Floculación.
Una vez desestabilizadas (coagulación) las partículas coloidales, la segunda etapa es la floculación. La floculación es el acomodo de partículas inmersas en el líquido para que se unan entre ellas y forman una especie de malla para que puedan caer al fondo del contenedor. En la siguiente figura se presentan en conjunto, las diversas etapas del proceso de coagulación, floculación y sedimentación, los cuales hasta ahora has revisado de manera separada, sin embargo, cuando se propone el uso de una planta de tratamiento de agua residual estos procesos se dan de manera continua.
El proceso de sedimentación permite remover los sólidos (flóculos) formados durante la etapa de floculación, la separación se da por efecto de la gravedad.
Ilustración 5 Etapas del proceso de Coagulación – Floculación – Sedimentación.
La tecnología que involucra a la coagulación y floculación es un proceso fisicoquímico que se desarrolla en sistemas compactos que llevan a cabo cada una de las etapas descritas anteriormente, para visualizarlo, observa la siguiente figura:
Ilustración 6 Planta para el proceso de coagulación – floculación.
2. 2. 3. Sedimentación, flotación y tanques de sedimentación simples.
La tercera etapa para la depuración del agua mediante un tratamiento primario es la sedimentación, cuyo objetivo es remover sólidos sedimentables y material flotante, para disminuir la concentración de sólidos suspendidos; el proceso de sedimentación se emplea como una etapa temprana dentro de las instalaciones para tratamiento de agua residual, lo que se conoce como sedimentación primaria. Además, puede ser empleada en conjunción con los procesos biológicos en donde se denomina tratamiento secundario, todo esto ocurre en el reactor biológico-sedimentador.
La sedimentación tiene varias aplicaciones; regularmente es empleada en la potabilización de agua, tratamiento de aguas residuales y tratamiento avanzado de agua y consiste en decantar de manera natural o forzada el material coagulado y floculado.
Cuando se potabiliza el agua, la sedimentación que se utiliza puede ser:
· Aguas superficiales.
· Agua coagulada y floculada antes de una filtración rápida en arena.
· Agua coagulada y floculada en el proceso de ablandamiento químico.
· Precipitados de hierro y manganeso.
El tratamiento de aguas residuales se utiliza en:
· Remoción de arenas, limos y arcillas.
· Remoción de sólidos suspendidos en sedimentadores primarios.
· Remoción de flóculos biológicos en plantas de tratamiento de lodos activados.
· Remoción de humus en plantas de tratamiento por filtros percoladores y disco biológicos.
Un tratamiento avanzado de agua se utiliza en:
· Remoción de flóculos coagulados químicos antes de una filtración
Tipos de sedimentación.
La sedimentación ocurre en diversas formas según la naturaleza de los sólidos: concentración y grado de floculación. En el agua se pueden encontrar partículas discretas granulares que no cambian de tamaño, forma o peso cuando se sedimentan, tales como arena, tierra, plástico, etc., y partículas floculentas grumosas en las que su densidad y volumen cambia conforme se adhieren unas a otras mediante la floculación, arrastre o barrido tales como residuos de detergente, agroquímicos, etc. Existen cuatro tipos de sedimentación:
· Tipo I. Sedimentación libre de partículas discretas no floculentas en suspensión diluida. Se presenta en desarenadores y parcialmente en sedimentadores primarios.
· Tipo II. Sedimentación de partículas floculentas en una suspensión diluida. Este tipo de sedimentación se presenta dentro de los sedimentadores primarios. Las partículas floculan durante la sedimentación aumentando su tamaño y velocidad de sedimentación.
· Tipo III. Sedimentación de zona de partículas con concentración intermedia.
· Tipo IV. Sedimentación por compresión, mediante algún mecanismo que ejerza presión al agua (compresora).
La sedimentación tipo III y IV se p0resenta en los sedimentadores secundarios, es decir, cuando ya hemos removido las partículas discretas y las floculentas en suspensión diluida. La sedimentación tipo III corresponde a partículas de concentración intermedia que se encuentran cercanas unas a otras, lo que origina que las partículas sedimenten como una zona. Durante el proceso se presenta una interfaz solida líquida (parte superior de un clarificar secundario).
La sedimentación tipo IV o de compresión, corresponde a partículas que se encuentran en alta concentración y la sedimentación se da solo por compresión de la masa que se lleva a cabo en la parte inferior de un tanque o clarificador secundario.
Los sedimentadores primarios (tipos I y II) diseñados y operados correctamente, remueven entre 50 y 70% de sólidos suspendidos y entre 25 y 40% de DBO5.
El proceso de sedimentación puede llevarse a cabo en tanques circulares o rectangulares. El sedimentador circular, por lo general, es empleado como tratamiento primario. Existen dos tipos de sedimentadores circulares: el alimentado por el centro y que es alimentado por la periferia. Los dos dispositivos emplean un mecanismo de rastreo para transportar y remover los lodos sedimentados. El efluente se extrae través de vertedores triangulares localizados en el perímetro del tanque sedimentador, cuenta con sistema “desnatador” en la superficie del tanque a través del cual se remueven los sólidos suspendidos, natas y grasas; luego las partículas caen al fondo del tanque, realmente está “caída” dentro del líquido, es a lo que se llama sedimentación. Para que tengas más clara revisa la siguiente figura, en la que se muestra un sedimentador circular.
Ilustración 7 Sedimentador circular.
Los sedimentadores rectangulares son comúnmente empleados como sedimentadores secundarios. El influente (flujo de agua entrante) es distribuido al interior del tanque a través de placas, de tal forma que el agua fluye a través del tanque hasta la zona de vertedores. El equipo de remoción de sólidos consiste en un par de cadenas sin fin que contiene un sistema de arrastre. La colección de material flotante se localiza en la parte media o final del tanque y su remoción puede ser manual, hidráulica o mecánica.
Ilustración 8 Sedimentador rectangular.
Hasta ahora hemos analizado la coagulación y floculación como tratamientos primarios. Estos procesos siempre aparecen continuos, lo que indica que no podríamos tener solo uno de ellos y son útiles para separar partículas pequeñas contenidas en el agua, tales como material orgánico, y aprovechando las cargas eléctricas de ellos podemos hacer que se unan y que caigan dentro de los tanques que contienen agua. En la tabla que se muestra a continuación analizaras la aplicación de estos dos procesos, cabe mencionar que para Jiménez los procesos primarios se dividen en convencional, avanzado, químico y químico en dos etapas.
Tabla 1 Utilización de la coagulación y la floculación.
| Proceso | configuración | % SS | % DBO | % 7 | |
| Primario convencional | DA + SP | 65 | 30 | 11 | |
| Primario avanzado | (AC)DA+(AP)SP | 80 – 85 | 50 – 55 | 31 | |
| Primario químico | (AC)DA+(FL)+(AP)SP | >90 | 75 | 95 | |
| Químico en dos etapas | DA+SP+(AC)F+(AP)+SeS | 83 | 52 | SD | |
| DA: Desarenación SP: Sedimentación primaria. AC: Adición de coagulante | AP: Adición de polímeros. F: Floculador. SeS: Sedimentación secundaria. SD: Sin datos. | ||||
Los tratamientos primarios sin duda constituyen una forma de sanear el agua la cual podría ser para devolverla a la red de agua sucia, es decir, el alcantarillado de una ciudad o bien, podría sanearse hasta el grado de poderla reutilizar en los procesos productivos o más aún para consumo humano.
A continuación, se te expone un ejemplo aplicativo de un problema con una muestra dada de agua.
Problema en el Valle de Mexicali.
El río Nuevo es el principal cauce del valle de Mexicali, zona de alta productividad agropecuaria y de fuerte crecimiento demográfico. El río nace 20 kilómetros al sur de Mexicali y desemboca en territorio estadounidense. Sus principales fuentes de contaminación provienen de la ciudad de Mexicali, por sus campos agrícolas, aerofumigadores, granjas porcinas, granjas avícolas y ganaderas, y diversas industrias. Se firmo un convenio bilateral con el gobierno estadounidense para sanear las aguas de este importante río aplicando la siguiente tecnología:
Solución:
1. Debido a que en la mayor parte son residuos domésticos se prevee la presencia de microorganismos patógenos, así como de compuestos orgánicos biodegradables por la actividad ganadera. Como primer paso se aplica un pretratamiento para eliminar los sólidos de gran tamaño vertidos al río.
2. Como tratamiento primario se sugiere precipitación química (coagulación y floculación).
3. Como tratamiento secundario un digestor anaerobio, debido a que presenta más ventajas como la eficiencia para desintegrar materia orgánica y un bajo costo de operación.
Date cuenta de que no se necesita un tratamiento terciario debido a que no se tiene la presencia de metales pesados y además la descarga al río permitirá que la naturaleza termine el trabajo correctamente antes de llegar al mar, así que no se requiere un saneamiento que tenga un tratamiento terciario.
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