Introducción al Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales: Tratamiento Físico-Químico

Introducción al Tratamiento Físico-Químico de Aguas Residuales

Bajo el término de tratamiento físico-químico se incluyen diversas operaciones físicas y procesos unitarios químicos y físico-químicos orientados a la eliminación de contaminantes en el agua residual (AR).

• Coagulación y Floculación: Este proceso puede emplearse como sustituto del tratamiento primario y secundario si la normativa vigente lo permite. Ofrece una calidad de sólidos suspendidos (SS) superior al tratamiento secundario convencional y permite una reducción de entre el $20\%$ y el $70\%$ de la Demanda Química de Oxígeno (DQO), según Escalas (2003).
• Filtración Granular: Incluye filtros de arena por gravedad y a presión, utilizados comúnmente como tratamiento terciario.
• Filtración con Membranas: Utilizada en el tratamiento terciario y para el reúso del agua.
• Ósmosis Inversa: Aplicada para la desalinización o eliminación de compuestos específicos.
• Precipitación Química: Empleada para la remoción de metales y fosfatos, ya sea para reúso o para cumplir normas de vertido.
• Desinfección: Tratamiento final previo al vertido del efluente para eliminar patógenos.
• Oxidación Química y Avanzada: Procesos de destoxificación que eliminan materia orgánica soluble no biodegradable.
• Intercambio Iónico: Eliminación de amonio y metales pesados.
• Desorción con Aire (Air Stripping): Eliminación de amonio y compuestos generadores de olores.
• Regulación de pH: Proceso crítico tanto previo como posterior a la coagulación-floculación, así como pretratamiento para procesos biológicos en aguas industriales.

Aplicaciones de la Coagulación y Floculación

En las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), la combinación de coagulación-floculación y sedimentación tiene múltiples aplicaciones:

• Sustituto de tratamientos primarios y secundarios en PTAR urbanas e industriales.
• Pretratamiento antes de un proceso biológico.
• Coagulación seguida de filtración directa.

Suspensiones Coloidales y Estabilidad

Una fracción de los sólidos suspendidos totales (SST) no sedimenta en un sedimentador primario convencional debido a su tamaño extremadamente pequeño, lo que resulta en velocidades de sedimentación muy bajas. Estas partículas, llamadas coloides, tienen un tamaño de entre $1\,nm$ y $1000\,nm$.

Velocidades Teóricas de Sedimentación (Ley de Stokes)

Según la AWWA (1974), el tiempo necesario para que partículas de distinta naturaleza sedimenten una distancia de $30\,cm$ es:

• Grava ($10\,mm$): $0.3\,s$.
• Arena gruesa ($1\,mm$): $3\,s$.
• Arenilla ($0.1\,mm$): $38\,s$.
• Bacterias ($0.01\,mm$): $33\,min$.
• Partículas coloidales ($0.001\,mm$): $55\,h$.
• Partículas coloidales ($0.00001\,mm$): $230\,d$.
• Partículas coloidales ($0.000001\,mm$): $63\,\text{años mínimo}$.

Estabilidad Coloidal y Doble Capa Eléctrica

Las partículas en suspensión tienden a aglomerarse por las fuerzas de Van der Waals (activas a distancias cortas). Sin embargo, en una suspensión coloidal estabilizada, la repulsión electrostática impide este acercamiento.

1. Carga Superficial: Los coloides naturales y del AR suelen tener carga negativa.
2. Capa Adherida (Capa Fija o de Contraión): Una capa de cationes atraídos fuertemente a la superficie negativa de la partícula.
3. Capa Difusa: Una capa exterior donde existen cationes y aniones segregados, permitiendo la movilidad iónica. El radio de esta capa impide la acción de las fuerzas de Van der Waals.
4. Potencial Zeta ($Z$): Es la diferencia de potencial entre la superficie de la partícula y la solución intermicelar (la zona de la solución no afectada por las cargas de la partícula). Un potencial $Z$ negativo indica repulsión eléctrica.

Proceso de Coagulación

La coagulación consiste en la desestabilización de los coloides mediante la neutralización parcial o total de la carga superficial y el adelgazamiento de la capa difusa.

Mecanismos de Coagulación

• Neutralización de Carga: Se añaden agentes catiónicos que se asocian a la capa difusa. Se busca que el potencial $Z$ se aproxime a cero.
• Coagulación de Barrido (Sweep Coagulation): Ocurre a pH elevados mediante la formación de hidróxidos metálicos insolubles que precipitan, atrapando y arrastrando las partículas coloidales en su caída.

Factores Influenciadores

• pH y Salinidad: La neutralización predomina a baja salinidad y pH bajo; la precipitación de barrido ocurre a pH más alto.
• Temperatura: El aumento de temperatura mejora la movilidad iónica y favorece el adelgazamiento de la capa difusa.
• Rapidez: Es un proceso casi instantáneo con tiempos de retención hidráulica (TRH) muy breves.

Agentes Coagulantes

Coagulantes Inorgánicos Convencionales

1. Cloruro Férrico ($FeCl_3$): Considerado el mejor coagulante metálico convencional. Es de color amarillento, muy corrosivo y eficaz para eliminar fosfatos y sulfuros ($H_2S$).
   • Rango de pH: $< 7$ (óptimo cerca de $5.0$).
   • Comercialización: Anhidro ($34.4\%\,Fe$), cristales ($FeCl_3 \cdot 6H_{2}O, 20.6\%\,Fe$) o líquido ($40\%\,FeCl_3$).
   • Dosis: $500-700\,mg/L$ en aguas brutas.
2. Sulfato Férrico ($Fe_{2}(SO_{4})_{3}$):
   • Rango de pH: $8.0-8.5$.
   • Dosis: $600-700\,mg/L$ en aguas brutas.
3. Clorosulfato Férrico ($FeSO_4Cl$): Obtenido por oxidación de sulfato ferroso con cloro gas.
   • Rango de pH: $5.5$ o entre $9.0-9.5$.
   • Dosis: $600-1500\,mg/L$.
4. Sulfato Ferroso ($FeSO_4$): Color verde en solución; se oxida a $Fe(III)$ a pH $> 7.7$.
   • pH óptimo: $9.0$.
   • Nota: Una dosis excesiva puede causar una precipitación tardía no deseable.
   • Dosis: $600-1200\,mg/L$ de sal hidratada.
5. Sulfato de Alúmina (Alumbre) ($Al_2(SO_{4})_{3} \cdot 14H_{2}O$):
   • Muy utilizado en potabilización, menos en AR (se usa para precipitación de fosfatos).
   • Rango de pH: $6-8.5$ (preferiblemente $> 7$).
   • Reducción: $80\%$ de sólidos sedimentables y $60\%$ de DBO.
   • Dosis: $1300-1600\,mg/L$.
6. Cloruro de Aluminio ($AlCl_3$):
   • Rango de pH óptimo: $5.5-9.0$.
   • Dosis: $600-1250\,mg/L$ a pH de $5$.

Coagulantes Inorgánicos Prepolimerizados

Productos obtenidos por hidrólisis controlada de sales de aluminio o hierro, resultando en polímeros más efectivos:

• Policloruro de aluminio (PAC) y Policloruro de hierro (PFC).
• Polisilicato-sulfato de aluminio (PASS).
• Polisulfato de hierro (PFS) y Polisulfato de aluminio y hierro (PAFS).
• Ventajas: El PAC y el PFS ofrecen mejores resultados en turbidez, DQO y remoción de metales, incluso a bajas temperaturas.

Coagulantes Orgánicos: Polielectrolitos Catiónicos

Son polímeros solubles con carga positiva que se adsorben a las partículas:

• Bajo Peso Molecular ($1,000$ a $10,000$ daltons): Solo efecto de neutralización de carga. Actúan a pH de $4-7$.
• Elevado Peso Molecular ($1,000,000$ a $10,000,000$ daltons): Efecto de neutralización y floculación. Usados en deshidratación de lodos a pH $\geq 10$.

Proceso de Floculación

Es la etapa donde las partículas desestabilizadas se agrupan para formar flóculos más grandes y resistentes. Esto se logra mediante la adición de polielectrolitos (especialmente aniónicos como poliacrilamidas) que forman "puentes intermicelares".

• Gradientes de Mezcla: Requiere agitación lenta para facilitar colisiones sin romper los flóculos.
• Dosis típica: $1.0\,mg/L$ de polielectrolito aniónico a pH $> 6.5$.

Diseño de Unidades de Coagulación

La mezcla rápida es esencial para dispersar el coagulante.

Tipos de Unidades

1. Tanques Agitados (Mezcla Completa):
   • Gradiente de velocidad ($G$): $700-1000\,s^{-1}$.
   • TRH: $2\,min$ (diseño conservador hasta $5\,min$).
2. Inyección en Tubería (Flujo Turbulento): El gradiente se calcula como:     $G = 564 \times (f/D)^{0.5} \times V^{1.5}$     Donde $f$ es el factor de fricción, $D$ el diámetro y $V$ la velocidad.
3. Mezcladores Rápidos en Línea: Unidades prefabricadas con $G$ entre $1,000$ y $50,000\,s^{-1}$, con tiempos de mezcla de segundos o fracciones de segundo.
4. Otras: Canal Parshall o canales desarenadores.

Especificaciones del Tanque Cilíndrico de Coagulación

• Dimensiones: Relación Diámetro/Altura ($D/H \approx 1$).
• Deflectores: 4 deflectores radiales para evitar el vórtice (anchura $= 0.1 \times D$).
• Rodete: Turbinas de 4 o 6 palas (flujo radial). Diámetro del rodete ($D_r$) entre $25\%\,y\,33\%$ del diámetro del tanque.
• Potencia de agitación ($P$):$P = K_T \times n^3 \times D_r^5 \times \rho_f$     Donde $K_T$ es la constante del rodete (ej. $6.30$ para turbina de 6 palas planas).

Diseño de Unidades de Floculación

La floculación utiliza tanques con agitadores de paletas o canales de flujo con baja turbulencia.

Parámetros de Diseño

• Gradiente de Velocidad ($G$): Entre $25\,y\,65\,s^{-1}$.
• TRH: De $20\,a\,60\,min$ (típico $30\,min$).
• Número de Camp (Gt): Adimensional, valores entre $20,000\,y\,200,000$.
• Potencia ($P$):$P = \mu \times G^2 \times V$

Agitadores de Paletas

• Disposición: Varios compartimentos en serie con gradientes de velocidad en cascada (ej. $60/45/30\,s^{-1}$) para maximizar choques al inicio y crecimiento del flóculo al final.
• Superficie de paletas: Must be $< 40\%$ de la sección transversal del tanque.
• Velocidad periférica: De $0.6\,a\,0.9\,m/s$.
• Velocidad de rotación: De $1\,a\,10\,rpm$.
• Área de paletas ($A$):$A = \frac{2 \times P}{C_D \times \rho \times V_P^3}$     Donde $C_D = 1.8$ (paletas planas) y $V_P$ es la velocidad relativa (aprox. $60-75\%$ de la periférica).

Consideraciones Finales sobre Operación

• Conexión al Sedimentador: Debe ser conducto corto, con velocidad $< 30\,cm/s$ y sin bombeo para no romper el flóculo.
• Dosificación de Reactivos: Se preparan soluciones diluidas ($0.1\% - 0.3\%$). Se compran en estado sólido o líquido concentrado.
• Producción de Lodos: El cálculo debe considerar el rendimiento de clarificación de los SST y la precipitación de los productos químicos añadidos (como el hierro del $FeCl_3$).

Fórmulas de Gradiente de Velocidad

• General: $G = \sqrt{\frac{W}{\mu}} = \sqrt{\frac{P/V}{\mu}}$     Donde $W$ es la potencia por unidad de volumen ($W/m^3$) y $\mu$ es la viscosidad dinámica del líquido ($kg/(m\cdot s)$).