FLOCULACIÓN Y COAGULACIÓN

I. RESUMEN

Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo o sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie, haciendo que se repelan dos partículas vecinas como se repelen dos polos magnéticos. Puesto que esto impide el choque de las partículas y que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no sedimentan. Las operaciones de coagulación y floculación desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentación. Esto se logra por lo general con la adición de agentes químicos y aplicando energía de mezclado.

En este presente trabajo se probó el proceso de coagulación-floculación utilizando como efluente el agua de mar. Se vertió un litro de muestra en una probeta de 1000 mL. Se determinó su grado inicial de turbidez de la muestra que fue de 1224 NTU. Luego, se preparó soluciones de sulfato de alúmina y cloruro férrico a las concentraciones 0.0952 M y 0.1271 M respectivamente, para así determinar las condiciones óptimas para la remoción de los sólidos suspendidos y se echó 3 mL de cloruro férrico y 5 mL de sulfato de alúmina para este proceso. Después del proceso, se determinó el grado final de turbidez de la muestra que se fue de 48 NTU en la parte superior, 66.9 NTU en la parte del centro y 74.9 NTU en la parte inferior de la probeta; para obtener los porcentajes de remoción de 96.08%, 94.53% y 93.88% respectivamente, dando resultados considerablemente favorables con dichas concentraciones de las soluciones.

II. OBJETIVOS

Determinación el porcentaje de remoción de sólidos suspendidos en el proceso de la coagulación/floculación.

Determinación de las concentraciones óptimas de sulfato de alúmina y cloruro férrico para la coagulación/floculación de aguas turbias.

III. MARCO TEÓRICO

1. Turbidez

La turbidez es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia debido a la presencia de partículas en suspensión; mide la claridad del agua.

Medida de cuántos sólidos (arena, arcilla y otros materiales) hay en suspensión en el agua.

Mientras más sucia parecerá que ésta, más alta será la turbidez.La turbidez puede impactar los ecosistemas acuáticos al:

Afectar la fotosíntesis (limita el paso de la luz solar), respiración y la reproducción de la vida acuática. La turbidez es considerada una buena medida de la calidad del agua

¿Por qué es importante?

Las partículas en suspensión difunden la luz solar y absorben calor lo cual puede causar un aumento en la temperatura y una reducción de la luz para la fotosíntesis de las algas. La turbidez debida a sedimentos en suspensión puede indicar una erosión natural o artificial. Los sedimentos en suspensión pueden obstruir las branquias de los peces. Cuando el sedimento precipita, puede dañar los lechos de grava y enterrar los huevos de los peces y s insectos bénticos. El sedimento puede transportar contaminantes, patógenos y nutrientes.

¿Cuáles son las causas de la turbidez?

Hay varios parámetros que influyen en la turbidez del agua. Algunos de estos son:

- Fitoplancton (plantas microscópicas)- Partículas de suelo (tierra) suspendidas en el agua de la erosión- Sedimentos depositados en el fondo- Descargas directas a cuerpos de agua (desagües)- Crecimiento de las algas- Escorrentía urbana

Factores naturales

- Algas y nutrientes excesivos

- Sedimento suspendido de la erosión y el transporte de sedimento- El clima estacional, eventos de tormentas- Se determinará la morfología local de la corriente si los sedimentos están

depositados o erosionados.

Factores humanos

- La erosión debido a la eliminación de la vegetación ribereña, a los cambios en la morfología de la corriente, o a los modelos del flujo de la corriente.

- Carga excesiva de nutrientes y crecimiento de alga

¿Cuáles son las consecuencias de una alta turbidez?

- Las partículas suspendidas absorben calor de la luz del sol, haciendo que las aguas turbias se vuelvan más calientes, y así reduciendo la concentración de oxígeno en el agua (el oxígeno se disuelve mejor en el agua más fría). Además algunos organismos no pueden sobrevivir en agua más caliente.

- Las partículas en suspensión dispersan la luz, disminuyen la actividad fotosintética en plantas y algas, que contribuye a bajar más la concentración de oxígeno.

Efecto de la turbidez

Sedimentación, como consecuencia de la sedimentación, las partículas se depositan en el fondo de los cuerpos de agua (quebradas, ríos y lagos) y se disminuye la capacidad de retención de agua de éstos. Los lagos poco profundos se sedimentan más rápido, los huevos de peces y las larvas de los insectos son cubiertas y sofocadas, las agallas se tupen o dañan...y causan la muerte de peces.

Impactos de la turbidez

- El principal impacto es meramente estético: a nadie le gusta el aspecto del agua sucia.

- Pero además, es esencial eliminar la turbidez para desinfectar efectivamente el agua que será utilizada para ser bebida. Esto añade costos extra para el tratamiento de las aguas superficiales.

- Las partículas suspendidas también ayudan a la adhesión de metales pesados y muchos otros compuestos orgánicos tóxicos y pesticidas.

¿Cómo medimos la turbidez?

- La turbidez se mide en NTU: Unidades Nefelométricas de Turbidez. El instrumento usado para su medida es el

nefelómetro o turbidímetro, que mide la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de una muestra de agua.

¿Cuál es el nivel máximo de turbidez permitida en el agua para consumo humano?

Según la Organización Mundial para la Salud (OMS), la turbidez del agua para consumo humano no debe ser más, en ningún caso, de 5 NTU, y estará idealmente por debajo de 1 NTU.

Instrumentos De Medición De Turbidez

Los instrumentos actual y comúnmente utilizados son los turbidí- metros ó nefelómetros, que emplean un método cuantitativo y deben cumplir los siguientes criterios en el diseño óptico:

La longitud de onda de la radiación incidente debe ser de 860 nm. La fuente de luz puede ser lámpara de tungsteno; diodos (leds) ó láser.

El ancho de banda espectral debe ser menor o igual a 60 nm. La convergencia de la radiación incidente no debe exceder ±1,5º en turbidímetros de radiación difusa y u o ±2,5º en turbidímetros de radiación atenuada.

El ángulo de medición entre la radiación incidente y la radiación difusa debe ser de 90º ±2,5º en turbidímetros de radiación difusa y u o 0º ±2,5º en turbidímetros de radiación atenuada. La distancia recorrida por la luz incidente y dispersada dentro del tubo de muestra, no debe exceder 10 cm.

Los turbidímetros o nefelómetros deben estar diseñados con niveles muy pequeños de luz extraviada, con el objeto de no tener una deriva significativa en el periodo de estabilización del instrumento, y también para no interferir en mediciones de turbidez de baja concentración.

Unidades De TurbidezEn la expresión de resultados, las unidades actualmente utilizadas son:

2. Los Coloides

Son suspensiones estables, por lo que es imposible sus sedimentación natural, son sustancias responsables de la turbiedad y del color del agua. Los sistemas coloidales presentan una superficie de contacto inmensa entre la fase sólida y la fase líquida, por ejemplo 1 cubo de 1 cm3, tiene una superficie total de 6 cm2; si está dividido en pequeños cubos elementales, la superficie total de todos aquellos es mucho más grande.

Afinidad de las Partículas Coloidales por el Agua

Las partículas coloidales se caracterizan por ser hidrofílicos (tienen afinidad por el agua) e hidrófobos (es decir que rechazan al agua), los primeros se dispersan espontáneamente dentro del agua y son rodeados de moléculas de agua que previenen todo contacto posterior entre estas partículas; las partículas hidrofóbicas no son rodeados de moléculas de agua, su dispersión dentro del agua no es espontáneo por lo que requiere de la ayuda de medios químicos y físicos. Las partículas hidrofobas son en general partículas de materias inorgánicas mientras que las hidrofilicas son materias orgánicas; en realidad solo un poco son las partículas que son exclusivamente hidrofilicas o hidrofóbicas; se obtienen más bien

partículas hidratadas a los diferentes grados. La carga eléctrica y la capa de agua que rodean las partículas hidrófilas tienden a desplazar las partículas unas de otras y, en consecuencia los estabiliza entro de la solución.

3. Coagulación

El objetivo principal de la coagulación es desestabilizar las partículas coloidales que se encuentran en suspensión, para favorecer su aglomeración; en consecuencia se eliminan las materias en suspensión estables; la coagulación no solo elimina la turbiedad sino también la concentración de las materias orgánicas y los microorganismos.

La coagulación es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado. En la siguiente figura 3 se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas de la superficie del coloide permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos. La coagulación es el tratamiento más eficaz pero también es el que representa un gasto elevado cuando no está bien realizado. Es igualmente el método universal porque elimina una gran cantidad de sustancias de diversas naturalezas y de peso de materia que son eliminados al menor costo, en comparación con otros métodos. El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificadas. Por lo tanto que se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las unidades de decantación y que es imposible de realizar una clarificación, si la cantidad de coagulante esta mal ajustada. En esta figura se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide, permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos.

4. Floculación

En la segunda etapa de la mezcla que corresponde a una mezcla lenta tiene por objeto permitir los contactos entre los flóculos, la turbiedad y el color, la mezcla debe ser lo suficiente para crear diferencias de velocidad del agua dentro de la unidad pero no muy grande, ya que los flóculos corren el riesgo de romperse; aún si el tiempo es no más del tiempo óptimo de floculación.

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar.

Suceden que los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no sean lo que suficientemente grande como para sedimentar con rapidez deseada, por lo que el empleo de un floculante es necesario para reunir en forma de red, formando puentes de una superficie a otra enlazando las partículas individuales en aglomerados, tal como se está mostrando en la Figura 19. La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco los flóculos; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. La floculación no solo incrementa el tamaño de las partículas del flóculo, sino que también aumenta su peso. La floculación puede ser mejorada por la adición de un reactivo de floculación o ayudante de floculación.

5. Prueba De Jarras

¿Qué es la prueba de jarra?

La prueba de jarras es un procedimiento común de laboratorio para determinar las condiciones óptimas de funcionamiento para el agua o el tratamiento de aguas residuales. Este método permite realizar ajustes en el pH, las variaciones en la dosis de coagulante o polímero, alternando velocidades de mezclado, o la prueba de coagulante o diferentes tipos de polímeros, a pequeña escala con el fin de predecir el funcionamiento de una operación a gran escala de tratamiento. Una prueba de jarras simula los procesos de coagulación y floculación que fomentan la eliminación de los coloides en suspensión y materia orgánica que puede conducir a problemas de turbidez, olor y sabor.

Figura 1: Foto del aparato frasco de prueba.

El aparato de prueba de jarra (ver Figura 1) contiene seis remos que remover el contenido de seis envases de 1 litro. Un envase actúa como un control, mientras que las condiciones de funcionamiento puede variar entre los restantes cinco contenedores. Un medidor de RPM en la parte superior central del dispositivo permite el control uniforme de la velocidad de mezclado en todos los contenedores. (Ver Figura 2).

Figura 2: Esquema del dispositivo de pruebas de jarra.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la realización de dicha práctica de coagulación/floculación se siguió el siguiente procedimiento:

1. Se tomó la muestra recopilada y se vierte a una probeta con capacidad de 1000 ml.

2. Se tomó una alícuota homogenizada de la muestra para medir el grado inicial de

turbidez de la muestra (1224 NTU).

3. Se preparó una solución de Cloruro férrico a una concentración y otra solución de

Sulfato de alúmina a otra concentración para poder obtener las concentraciones

óptimas para este proceso. Para realizar de dichas soluciones, se realizó los pesos

correspondientes del cloruro férrico (5.1533g) y sulfato de aluminio (8.1445g) y se

preparó las soluciones con la adición de agua, lo cual se aforó a 250 ml a cada solución.

4. De las disoluciones realizadas se toman 3 ml de cloruro férrico y 5 ml de sulfato de

aluminio y son agregadas a la muestra.

5. Luego de haber agregado los reactivos, se agitó la mezcla por 15 minutos, para la

homogenización de la solución además que la agitación es un factor importante en

este proceso.

6. Después del tiempo de agitación, se va formando pequeños flóculos por lo tanto se

dejó reposar unos 10 min para que se asienten por decantación.

7. Pasado ese tiempo, se tomó un alícuota de la muestra de la parte superior, centro e

inferior de la probeta y se realizó la toma de la medición del grado de turbidez para

dichas alícuotas, para al final realizar los cálculos respectivos para la determinar el

porcentaje de remoción de sólidos suspendidos.

V. DATOS EXPERIMENTALES

Turbidez inicial: 1224 NTU Volumen de la muestra: 1 LITRO Turbidez de arriba final: 48 NTU Turbidez de centro final: 66.9 NTU Turbidez del fondo final: 74.9 NTU

Tabla N°1: Característica de cada solución

Soluciones

Cloruro Férrico Sulfato de Aluminio

Peso (gr) 5.1533 Peso (gr) 8.1445

Volumen de solución (mL) 250 Volumen de solución

(mL) 250

ppm FeCl 20613.2 ppm Al2(SO4)3 32578

Molaridad 0.1271 Molaridad 0.0952

VI. RESULTADOS

Tabla N°2: Resultados del proceso de coagulación/floculación

Gráfico N°1: Sección de la probeta vs Remoción de sólidos suspendidos

SECCIÓN DE LA PROBETA NTU % REMOCIÓN

Superior 48 96.08

Centro 66.9 94.53

Inferior 74.9 93.88

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Se observa que el grado de turbidez al final del proceso coagulación/floculación son muy bajos comparado al grado de turbidez inicial de la muestra y que son de 48 NTU en la parte superior, 66.9 NTU en la parte central y 74.9 NTU en la parte inferior y dando consigo los porcentajes de remoción de sólidos de 96.08%, 94.53% y 93.88% en la parte superior, central e inferior, respectivamente. Esta variación de porcentajes se debe que los flóculos están decantando y concentrando en la parte inferior. En el promedio del porcentaje de remoción de sólidos suspendidos es muy elevado, 94.83%, que tiene una pequeña diferencia del 5.17% para llegar a la totalidad del porcentaje de remoción de sólidos suspendidos. Sin embargo, en el promedio del grado de turbidez, 63.27 NTU, sigue siendo 26.54% mayor para los estándares de calidad ambiental (ECA) del agua que es de 5 NTU, entonces se necesitará un porcentaje de remoción de sólidos suspendidos de 99.59% para que el agua este dentro de los ECA’s del agua. Como dato adicional, se puede llegar a dicho grado de turbidez, 5 NTU, por otros tratamientos como la filtración.

VIII. CONCLUSIONES

Se obtuvo el porcentaje de remoción de sólidos suspendidos en el proceso de la coagulación/floculación en la parte superior de 96.08%, en la parte central de 94.53% y de la parte inferior de 93.88%.

Centro Inferior Superior0.925

0.93

0.935

0.94

0.945

0.95

0.955

0.96

0.965

Total

Total

Según en el análisis de resultados, se puede concluir que las concentraciones de sulfato de alúmina (0.0952 M) y cloruro férrico ((0.1271 M) dan un porcentaje de remoción de sólidos suspendidos muy favorables, se puede suponer que son las concentraciones óptimas para el proceso de coagulación/floculación.

El agua tratada después de la coagulación/floculación, según el grado de turbidez, aún no es apta para el consumo humano por tener un grado de turbidez de 63.27 NTU muy elevada al ECA’s de agua que es de 5 NTU.

IX. BLIBLIOGRAFÍA

1 Monitoreo de la calidad de agua, La turbidez (2011), Colegio de extensión agrícola por Carmen González Toro (Especialista en Ambiente Servicio de Extensión Agrícola) Revisado el día 07 de noviembre del 2015 de la World Wide Web: http://academic.uprm.edu/gonzalezc/HTMLobj-859/maguaturbidez.pdf

2 Medición de Turbidez en la Calidad del Agua (2010), Metas & Metrólogos Asociados. Revisado el día 07 de noviembre del 2015 de la World Wide Web: http://www.metas.com.mx/guiametas/la-guia-metas-10-01-turbidez.pdf

3 Tratamiento de agua Coagulación y Floculación (2000), Sedapal, Evaluación de Plantas y Desarrollo Tecnológico por Ing. Yolanda Andía Cárdenas. Revisado el día 07 de noviembre del 205 de la World Wide Web: http://www.sedapal.com.pe/c/document_library/get_file?uuid=2792d3e3-59b7-4b9e-ae55-56209841d9b8&groupId=10154

ANEXOS