COAGULACIN- FLOCULACIN

Coagulacin

2014

PROCESO DE COAGULACIN Y FLOCULACIN

La coagulacin-floculacin es un proceso fsico-qumico mediante el cual, al agregrsele al agua un coagulante qumico, las partculas coloidales presentes (0.2 5 m) se aglomeran entre s para formar slidos en suspensin (partculas de mayor tamao) que pueden eliminarse en procesos posteriores de decantacin y/o filtracin. Los coagulantes qumicos, tales como sales de hierro, sales de aluminio o polmeros, se agregan al agua para volver fcil la adherencia entre las partculas. Los coagulantes funcionan creando una reaccin qumica y eliminando las cargas negativas que causan que las partculas se repelan entre s.En el proceso de floculacin las partculas coloidales ya desestabilizadas (con fuerzas de adherencia) son agitadas suavemente de modo que al chocar unas contra otras se agrupan entre s para formar partculas suspendidas capaces de sedimentar.

EFECTOS DE LA COAGULACIN SOBRE LAS SUSTANCIAS CONTENIDAS EN EL AGUA PARAMETROS REDUCCIN MXIMA OBTENIDA MEDIANTE LA COAGULACIN: 0: Nada de reduccin +: de 0 a 20% de reduccin ++: 20 a 60% de reduccin +++: > 60% de reduccin MINERALES TURBIDEZ +++ MATERIAS EN SUSPENSIN +++ FOSFATOS (P2O5) +++ NITRATOS 0 AMONIO 0 CLORUTOS 0, + SULFATOS 0, + FLUORUROS ++ HIERRO +++ ALUMINIO +++ MANGANESO + COBRE +++ ZINC ++ COBALTO 0 NIQUEL 0 ARSNICO `+++As+5, ++As+3 CADMIO ++, +++ CROMO `+Cr+6, +++Cr+3 PLOMO +++ MERCURIO ++ CIANUROS 0 ORGNICOS COLOR +++ OLOR 0, + DQO +++ COT +++ DBO +++ N KJELDHAL +++ FENOLES 0 HIDROC. AROMTICOS POLICICLICOS ++ PESTICIDAS +++ AGENTES DE SUPERFICIE (REACCIONANDO AL AZUL DE METILENO) 0,+ MICROORGANISMOS VIRUS +++ BACTERIAS +++ ALGAS ++

REMOCIN DE TURBIEDAD

Coagulacin y Floculacin

Decantacin

Filtracin

Al Estanque de

Agua Potable

Agua Cruda

Las impurezas del agua presentan un amplio rango de variacin de velocidades de sedimentacin. La siguiente tabla entrega el tamao aproximado de partculas que comnmente se encuentran en el agua y los tiempos requeridos para sedimentar 1 pie. ( 30 cm. )

MATERIAL DIAMETRO ( mm ) TIEMPO

Grava 10.0 0.3 seg

Arena Gruesa 0.15 1.0 3 seg

Arena Fina 0.015 0.1 38 seg

Limo 0.0015 0.01 33 min

Bacterias 0.001 35 hr

Arcillas 0.0001 230 das

Partculas Coloidales 0.00001 63 aos

La remocin de gran parte de estos materiales se logra mediante la sedimentacin. Sin embargo, para remover gravitacionalmente las partculas coloidales es necesario aglomerarlas en flculos, de mayor tamao, densidad y peso.

PARTICULAS COLOIDALES

Se clasifica de coloide al sistema de dos fases que tiene una de ellas dispersa en la otra, en la forma de partculas finamente divididas, las cuales no son visibles en un microscopio ordinario y no tienden a depositarse por accin de la gravedad.El lmite superior del tamao de las partculas coloidales puede considerarse aproximadamente en 0,2 y el inferior en 3 a 5 m .Debido a su reducido tamao, las partculas coloidales presentan una relacin superficie/volumen muy alta. Como consecuencia, existe un predominio de fenmenos de superficie tales como adsorcin e ionizacin de grupos qumicos en su superficie.

Teoras sobre la estabilidad de coloides distinguen dos tipos de partculas cuando el medio dispersante es agua: hidrfilas e hidrfobas. Los coloides hidrfilos presentan gran afinidad con el agua. Se aslan y previenen el contacto con otras partculas, rodeando su superficie con una capa de molculas de agua en un proceso llamado hidratacin. Las grasas, aceites, jabones y detergentes pertenecen a este grupo, cuando el medio dispersante es el agua.

Coloides de jabn

Por otro lado los coloides hidrfobos presentan escasa tendencia a ser mojados.Estas partculas presentan un marcado movimiento Browniano el que se traduce en frecuentes colisiones. Debido a las fuerzas de atraccin de Van der Waals debieran quedar adheridas unas a otras y pronto formar un precipitado visible. La estabilidad de los coloides hace suponer la existencia de fuerzas repulsivas de gran magnitud entre ellas.

Arcillas, generan turbiedad en el agua

En agua a pH ~5 a 7 (ros)

El potencial Z es negativo

Un Z 14 a -30 mV : aglomeracin

Y de 45 a -70 mV : buena suspensin

POTENCIAL ZETA

Dependiendo de las caractersticas de los diferentes tipos de contraiones involucrados, el potencial zeta repulsivo de las partculas puede ser reducido de las siguientes maneras: (1) Por la compresin del espesor de la doble capa debido a la incorporacin de simples contraiones en la capa difusa, o (2) Por la adsorcin especfica del contrain sobre la superficie de la partcula, con la consecuente reduccin en el potencial superficial de la partcula coloidal

COAGULACION Y COAGULANTES

Los principales coagulantes empleados en el tratamiento de agua son las sales de aluminio y hierro y los coagulantes polimricos. Entre ellos cabe destacar:Alumbres:Sulfato de aluminio( Alum ) Al2(SO4)314H2O Alumbre Potsico Al2(SO4)3K2SO424H2O Alumbre Amnico Al2(SO4)3(NH4)2SO424H2OAluminato de Sodio Na2Al2O4 Sales de Hierro:Sulfato Ferroso ( copperas ) FeSO47H2OCloruro Frrico FeCl3 ( muy corrosivo )Sulfato Frrico ( ferrisul ) Fe(SO4)3 ( corrosivo)Sulfato y Cloruro Frrico ( copperas cloradas ) Fe2(SO4)3FeCl37H2O ( muy corrosivo )

La accin de estos coagulantes es compleja y comprende la disolucin de la sal (la cual es capaz de reducir el potencial zeta al alterar la concentracin de iones de la capa de Stern), la formacin de compuestos hidroxi-xidos complejos del metal que pueden tener cargas muy elevadas y el atrapamiento de partculas individuales en el precipitado que se forma.

1. Disolucin:

Al2(SO4)3 _____( 2Al(H2O)6+3 + 3SO4-2

2. Hidrlisis:

Al(H2O)6+3 + H2O ___( Al(H2O)5OH+2 + H+

Al(H2O)5(OH)+2 + H2O ___( Al(H2O)4(OH)2+1 + H+

Al(H2O)4(OH)2+1 + H2O ___( Al(H2O)3(OH)3 + H+

Al(H2O)3(OH)3 + H2O ___( Al(H2O)2(OH)4- + H+

3. Polimerizacin:

Los productos de la hidrlisis se combinan formando una serie de molculas tales como

Al6(OH)15+3

Al7(OH)17+4

Al8(OH)20+4

Al13(OH)34+5

La hidrlisis de las sales de hierro es algo distinta a la del aluminio, aunque da lugar a la formacin de formas polimricas similares.i) El hidrxido de hierro se forma lentamente con respecto a los dems compuestos y actan por accin de barrido, es decir al sedimentar las partculas de mayor tamao atrapan a su paso otras partculas incorporndolas al flculo.ii) Los iones hidratados demoran del orden de los 10-10 seg. en formarse y actan comprimiendo o neutralizando la doble capa de iones circundantes.iii) Los productos polimricos demoran alrededor de 10-4 seg. en formarse. Actan por absorcin de coloides en sus extremos y por accin de barrido y enredamiento, formndose verdaderas redes tridimensionales.

Adyuvantes de Coagulacin

Su misin es la de mejorar la floculacin y entre los principales podemos nombrar:

Agentes oxidantes: Mejorar la coagulacin al oxidar materia orgnica que de otra forma puede interferir con el proceso. Si se utiliza cloro se dosifica ms all del punto de quiebre.Agentes gravimtricos: Se utilizan en aguas de baja turbiedad, ya que agregan peso al flculo aumentando su tasa de sedimentacin, adems de ejercer una accin de adsorcin la cual ayuda a la formacin del flculo. Entre los principales agentes tenemos las bentonitas y otras arcillas, carbn activado, slice en polvo y caliza.Polielectrolitos: Se utilizan como coagulantes o como adyuvantes de coagulacin. Su uso redunda en un flculo de mayor tamao y peso mejorando las floculacin y velocidad de sedimentacin. Permite adems reducir las dosis de coagulantes.

Slice Activada: Consiste en una preparacin de silicato de sodio coloidal, el cual ha sido activado con cido sulfrico, sulfato de aluminio, anhdrido de carbono o cloro.

Cuando se agrega slice activada al agua, se produce una solucin estable de carga negativa. Como adyuvante de coagulacin esta solucin coloidal tiene varias ventajas:

- En conjunto con un coagulante metlico forma un flculo ms grande, fuerte y denso lo que se traduce en una mejor tasa de sedimentacin.

- La slice activada permite reducir las dosis de coagulante, lo que redunda en una reduccin de costos en productos qumicos.

APLICACIN DE COAGULANTES

Punto de Mezcla Rpida

No adecuado como dosificador

de coagulantes.

Se utiliza para dosificar oxidantes

como hipoclorito de sodio

La cantidad de coagulante no puede ser determinada en base a frmulas estequiomtricas o leyes qumicas, debido a la diversidad de factores que intervienen en el proceso.Lo usual es utilizar el test de las jarras o jar test. Este anlisis consiste en agregar distintas dosis de coagulante a 6 jarras de 2 litros, durante un periodo de mezcla rpida por algunos segundos (mximo 1 minuto) para continuar con una mezcla lenta por algunos minutos (20 minutos aprox.) para luego detener la agitacin y dejar que los flculos formados sedimenten.El jarro que presente la menor turbiedad residual corresponde a la dosificacin ptima.

Equipo de Jar Test

Jar Test para

Agua Potable

Jar Test para Aguas Servidas

Efecto del pH en el proceso de coagulacin

Especficamente el test de las jarras entrega informacin para:1.- Seleccionar el coagulante adecuado.2.- Dosificacin del coagulante.3.- Seleccin y dosificacin del ayudante de coagulacin.4.- Determinacin del pH ptimo.5.- Determinacin del punto de aplicacin del coagulante, ayudante de coagulacin y ajustes de pH.6.- Optimizacin de la energa de mezclado.7.- Optimizacin de los tiempos de mezclado, tanto rpidos como lentos.8.- Determinacin de los efectos de dilucin del coagulante.9.- Determinacin de las tasas mximas de carga superficial.10.- Optimizacin del reciclaje de lodos.11.- Efecto del reciclaje de lodos.

Sistemas de Coagulacin

Mezcla Rpida

Mezcla Lenta

UNIDAD DE MEZCLA RPIDA

Tiene por objeto agitar violentamente el agua para producir una dispersin casi instantnea de las sustancias qumicas agregadas. El tiempo requerido es del orden de un minuto, siempre que la turbulencia sea suficiente. La agitacin no debe prolongarse demasiado para evitar romper el flculo en formacin. Para lograr la mezcla rpida se utilizan:Estanques o Canales con Tabiques, Resaltos Hidrulicos, Estanques de Flujo Tangencial o Espiral, Agitadores Mecnicos y Inyeccin de Aire.

TIPO DE AGITADOR CARACTERISTICAS

Resalto Hidrulico Econmico. Emplea la energa

propia del fluido.

Estanques con Tabiques No son convenientes cuando

el flujo es muy variable.

Mezclador Mecnico Muy efectivo. No se ven afec-

tados por variaciones del flujo.

Inyeccin de Aire tiles cuando se necesita pre-

aireacin.

Mezclador Rpido con

Resalto Hidrulico

Resalto Hidrulico con

cambio de pendiente

Canaleta Parshall

Mezclador Rpido Tipo Canaleta Parshall

Diseo de Agitadores Mecnicos

Su anlisis se basa en los estudios de Rushton, los cuales estipulan que la energa del agua puede ser evaluada mediante la siguiente ecuacin para ( Re > 10.000 ):

g

D

n

K

=

P

5

i

3

T

g

1

en que:

KT : Contante para flujo turbulento.

n : Velocidad de rotacin en rps.

Di : Dimetro del impulsor.

: peso especfico del agua.

g : aceleracin de gravedad.

Re : Nmero de Reynolds

Los valores de KT desarrollados por Rushton son los siguientes:IMPULSOR KTHlice de 3 palas 0.32Hlice doble, 3 palas 1.00Turbina, 6 palas planas 6.30Turbina, 6 palas curvas 4.80Turbina ventilados, 6 palas 1.65Turbina, 6 palas punta de flecha 4.00Turbina cerrada, 2 palas curvas 1.08Turbina cerrada con estator 1.12Paletas planas, 2 palas D/W = 6 1.60Paletas planas, 2 palas D/W = 8 1.15

El diseo de las unidades de mezcla y floculacin se basan en la teora de Camp descrita en Floculation and Floculation Basins., Trans. ASCE, 1955. Se define el concepto de Gradiente de Velocidad G.

con W = P /

En que:

W: Potencia media terica requerida por unidad de volumen.: Viscosidad del agua.Valores tpicos de tiempos de retencin y gradientes de velocidad G para unidades de mezcla rpida se encuentran en la siguiente tabla: Tiempo de retencin (seg) G (seg-1) 20 1.000 30 900 40 790 50 o ms 700

En la prctica las unidades de mezcla rpida se disean con tiempos de retencin del orden de 30 seg a 1 min, y valores del gradiente de velocidad G iguales o mayores a 700 seg-1. Los estanques se disean con forma circular o de seccin cuadrada con una altura de agua de 1.00 a 1.25 veces el dimetro o el ancho del estanque.

Turbina

Eje de la Turbina

Sombra de un

estudiante

UNIDAD DE FLOCULACIN

Una vez que las partculas han sido desestabilizadas se debe inducir el contacto entre ellas de modo que se formen flculos factibles de sedimentar en un tiempo relativamente corto. El diseo de este tipo de estanques se basa en las teoras de Camp, quien entrega los siguientes valores: Gtr : 20.000 - 210.000 G : 20 - 75 seg-1 tr : 20 - 60 min.En que Gtr. indica el nmero de colisiones que tiene lugar durante el proceso. NOTA: Estos valores no son restrictivos. Solo corresponden a valores tomados de plantas en funcionamiento con un rendimiento aceptable. Langelier demostr que la suma de valores de Gtr obtenidos en un sistema en serie de corresponder a los de un nico estanque, pero con tiempo de retencin menor, lo que implica un costo menor.

DISEO DE FLOCULADORES

FLOCULADORES DE ESCURRIMIENTO EN ZIG -ZAG.La floculacin se logra mediante cambios de direccin sucesivos. Los criterios de diseo son los siguientes.velocidad de flujo : 10 - 40 cm/seggradiente ptimo : 20 seg-1tiempo de retencin: 15 - 45 min

Existen dos tipos de diseo, los de escurrimiento horizontal y los de escurrimiento vertical

Floculadores de Tabiques Horizontales

Planta Vitacura

Planta Vitacura

Planta Los Domnicos

Las ecuaciones que se usan para el diseo son:

W

=

G

m

4

en que W es la Funcin Disipacin y es igual a:

"

L

L

Q

=

t

=

W

T

r

T

g

g

5

en que:

W : Funcin Disipacin

Q : Gasto de diseo

T : Prdida de carga total

T = H friccin + H singular

Hf = J x L

J = V2 n2 / RH4/3 (Manning)

Hs = KNV2/2g

K: Coef. prdida por cambio de direccin en 180. Toma valores entre 2 - 3.5

N: Nmero de cambios de direccin

FLOCULADORES MECANICOS

A.- FLOCULADORES DE PALETAS ROTATORIAS: El sistema ms utilizado es el de paletas rotatorias, las cuales pueden estar montadas sobre un eje horizontal o vertical. Las paletas al girar mueven el agua y la nica resistencia que encuentran es la fuerza de arrastre.

El diseo de las paletas debe ser tal que el rea total no exceda el 15 -20 % del rea total de escurrimiento. Si el rea de paletas es muy grande stas arrastran la masa de agua a una velocidad aproximada a la de ellas sin producir realmente una mezcla.Las ecuaciones que rigen el diseo de este tipo de floculador dependen de la funcin disipacin. la cual puede ser estimada a partir de la fuerza de arrastre del agitador que se mueve en el agua. La ley de Newton dice

FD = CD A vr2/2g

en que:FD :Fuerza de arrastreCD :Coeficiente de arrastre. Depende de la geometra del cuerpo sumergido. A :rea del objeto sumergido que enfrenta el escurrimiento.vr :Velocidad relativa del objeto con respecto al fluido.

con W = P /

en que P es la potencia terica entregada al agua y est definida como:

P = FD vr

La velocidad relativa de las paletas con respecto al lquido es difcil de determinar. Se sabe que un agitador rotatorio imprime al lquido un movimiento en espiral con una velocidad angular promedio menor que la velocidad de los rotores

vr = ( 1 - K ) v

v :velocidad perifrica de rotacin de las paletas.

v = 2 r n n en rps

K*v : velocidad del agua en rps.

K es una constante difcil de evaluar. En la planta de tratamiento de agua potable de Cambridge, Mass. USA se determin:i) En la partida K = 0 ; Lo que implica que el agua esta quieta y la velocidad de las paletas relativa al agua es igual a la velocidad de rotacin del sistema.ii) En un sistema de floculadores en serie con dos compartimientos pequeos equipados con shaft de velocidad alta y dos compartimientos ms grandes con shaft girando a baja velocidad, la velocidad de los rotores una vez establecido el equilibrio variaron entre un 24% para los sistemas de alta velocidad y un 32% para los de velocidades bajas. Por lo tanto el valor de K vari entre 0.24 a 0.32 .En general se puede decir que los valores de K varan entre 0.24 y 0.50 .

Si se reemplazan estos valores en la ecuacin de la potencia terica entregada al agua se tiene: P = CD A vr3/2g P = CD A ( 1 - K )3 v3/2g P = 4 3 CD A ( 1 -K )3 r3 n3en el caso de tener varias paletas la ecuacin anterior queda: P = 4 3 CD ( 1 -K )3 n3 A r3con r igual a la distancia del eje al centro de la paleta. Como referencia algunos valores de CD para paletas planas L / a CD (*) 5 1.20 20 1.50 1.90(*) vlidos para Reynolds superiores a 1000

B.- FLOCULADORES DE PALETAS OSCILANTES:Las ecuaciones de diseo se pueden obtener del anlisis del caso del movimiento armnico simple ilustrado en la figura.

La velocidad angular est dada por: = d /dt = 2 nde la figura s = r - r cos v = ds / dt = r sen (d / dt) = 2 r n sen El trabajo realizado por la fuerza de arrastre (por ciclo) est dado por:

La funcin disipacin de energa queda

Del anlisis de las ecuaciones anteriores se deduce que la velocidad relativa promedio entre las paletas y el agua que las rodea es la misma que la velocidad relativa promedio entre las paletas y la cmara.

Las impurezas del agua presentan un amplio rango de variacin de

velocidades de sedimentacin. La siguiente tabla entrega el tamao

aproximado de partculas que comnmente se encuentran en el agua y los

tiempos requeridos para sedimentar 1 pie. ( 30 cm. )

MATERIAL DIAMETRO ( mm ) TIEMPO

Grava 10.0 0.3 seg

Arena Gruesa 0.15 - 1.0 3 seg

Arena Fina 0.015 - 0.1 38 seg

Limo 0.0015 - 0.01 33 min

Bacterias 0.001 35 hr

Arcillas 0.0001 230 das

Partculas Coloidales 0.00001 63 aos

La accin de estos coagulantes es compleja y comprende la disolucin de la sal (la cual

es capaz de reducir el potencial zeta al alterar la concentracin de iones de la capa de

Stern), la formacin de compuestos hidroxi -xidos complejos del metal que puede n tener

cargas muy elevadas y el atrapamiento de partculas individuales en el precipitado que

se forma.

1. Disolucin:

Al

2

(SO

4

)

3

_____ 2Al(H

2

O)

6

+3

+ 3SO

4

-2

2. Hidrlisis:

Al(H

2

O)

6

+3

+ H

2

O ___ Al(H

2

O)

5

OH

+2

+ H

+

Al(H

2

O)

5

(OH)

+2

+ H

2

O ___ Al(H

2

O)

4

(OH)

2

+1

+ H

+

Al(H

2

O)

4

(OH)

2

+1

+ H

2

O ___ Al(H

2

O)

3

(OH)

3

+ H

+

Al(H

2

O)

3

(OH)

3

+ H

2

O ___ Al(H

2

O)

2

(OH)

4

-

+ H

+

3. Polimerizacin:

Los productos de la hidrlisis se c ombinan formando una serie de molculas tales

como

Al

6

(OH)

15

+3

Al

7

(OH)

17

+4

Al

8

(OH)

20

+4

Al

13

(OH)

34

+5

TIPO DE AGITADOR CARACTERISTICAS

Resalto Hidrulico Econmico. Emplea la energa

propia del fluido.

Estanques con Tabiques No son convenientes cuando

el flujo es muy variable.

Mezclador Mecnico Muy efectivo. No se ven afec -

tados por variaciones del flujo.

Inyeccin de Aire tiles cuando se necesita pre -

aireacin.

Su anlisis se basa en los estudios de Rushton, los cuales

estipulan que la energa del agua puede ser evaluada mediante la

siguiente ecuacin para ( R

e

> 10.000 ):

en que:

K

T

: Contante para flujo turbulento.

n : Velocidad de rotacin en rps.

D

i

: Dimetro del impulsor.

: peso especfico del agua.

g : aceleracin de gravedad.

R

e

: Nmero de Reynolds

g

D

n

K

= P

5

i

3

T

Las ecuaciones que se usan para el diseo son:

en que W es la Funcin Disipa cin y es igual a:

en que:

W : Funcin Disipacin

Q : Gasto de diseo

T

: Prdida de carga total

W

=G

Q

=

t

= W

T

r

T

T

= H friccin + H singular

H

f

= J x L

J = V

2

n

2

/ R

H

4/3

(Manning)

H

s

= KNV

2

/2g

K: Coef. prdida por cambio de direccin en 180. Toma

valores entre 2 - 3.5

N: Nmero de cambios de direccin

W

=

G

m

ds

F

2

=

T

D

0

D

p

dt

v

v

2g

A

C

2

=

T

2

D

0

D

g

p

n

2

d

v

A

C

g

=

T

3

0

D

D

p

q

g

p

q

p

q

p

g

p

d

n

2

)

sen

n

r

(2

A

g

=

T

3

0

D

q

q

p

g

p

d

sen

A

n

D

C

2g

=

T

3

0

2

3

D

2

D

A

n

D

C

2g

=

T

2

3

2

D

D

p

g

"

"

A

n

D

C

=

n

T

=

W

3

3

2

D

D

p

r