Ing. Verónica Huamán PrietoAbril 2015

SELECCIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LOS PROCESOS

Se realiza mediante la determinación delos parámetros de los procesos mediantesimulación en el laboratorio con elequipo de “Pruebas de Jarras”.

SELECCIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LOS PROCESOS

Es necesaria:ØDurante el proyecto, para determinar las dimensiones

de las unidades de la planta, rehabilitar u optimizarsistemas existentes.ØDurante la evaluación de un sistema, para determinar

si las unidades están operando de acuerdo con lascondiciones que el agua requiere.ØDurante la operación de una planta, permitirá ajustar

los procesos a las mencionadas condiciones.

Normalmente estos equipos constan de los siguienteselementos:

� Un agitador mecánico provisto con tres a seis paletas,capaz de operar a velocidades variables (de 0 a 100revoluciones por minuto; actualmente puedenobtenerse equipos que operan con velocidades dehasta 400 revoluciones por minuto).� Un iluminador de flóculos localizado en la base del

agitador del equipo.� Vasos de precipitado de 2 litros de capacidad, de cristal

refractario.

Descripción del Equipo de Prueba de Jarras

Descripción del Equipo de Prueba de Jarras

Sistema de dosificaciónDeben ser equipadas con las facilidades necesarias parala adición de coagulantes químicos en forma rápida ysimultánea a cada vaso o jarra.

Se recomienda aplicar la dosis decoagulante muy cerca del agitador, conel equipo operando.

Medir las cantidades de coagulante que sevan a aplicar a cada jarra con una pipeta yverterlo en vasitos, de los cuales sesucciona mediante jeringas hipodérmicasdesechables, provistas de su aguja. Se llenacada jeringa con la dosis respectiva, seretira la aguja y se la coloca delante la jarracorrespondiente.

Sistema de agitaciónLa variable que más importancia tiene en la prueba dejarras es la intensidad de agitación expresada comogradiente de movimiento del agua. Se utilizan paletas orotores, accionados en forma mecánica o magnética, ypueden utilizarse una o más paletas.

Uso de estatoresCuando no se utilizan estatores, es necesario elevar lavelocidad a valores superiores a los que normalmente operanlos equipos. La inercia producida durante el ensayo defloculación ocasiona la formación de un helicoide que afecta elproceso y que se evidencia en una disminución de la eficienciaen el ensayo de sedimentación. Por esta razón, se recurre al usode estatores o deflectores fijos de tipo continuo o discontinuo

Descripción de las jarrasLas jarras o vasos que se van a usar deben poder seracomodados en el aparato y tener 2.000 mL decapacidad; en caso de no tenerse vasos de este tamaño,podría optarse por vasos de 1.000 mL. Podrían usarsejarras cuadradas, pero antes deben asegurarse lasmodificaciones producidas por cambio de secciones parael cálculo de gradientes.

Ábaco que relaciona el gradientede velocidad relaciona G (s-1) conlas RPM de un equipo de pruebade jarras con recipientes de 2 lts.litros. Jarra de sección circular.

Ábaco que relaciona G (s-1) conlas RPM de un equipo de pruebade jarras con recipientes de 2 lts.Jarra de sección cuadrada.Desarrollado por la Universidadde Michigan.

Valores auxiliares para el cálculo de gradientes de velocidad.

Sistema de toma de muestrasLuego de la mezcla rápida y floculación, inicia ladecantación.Las muestras son colectadas utilizando un sifónconstruido como para dar iguales velocidades de flujo encada vaso y así disminuir la posibilidad de arrastre desedimentos.

Sifón para toma de muestras.

IluminaciónPara observar el flóculo formado en los vasos, esconveniente, aunque no esencial, una buenailuminación. Se deben evitar fuentes de luz que generenmucho calor y con un efecto significativo en lacoagulación y sedimentación, lo que ocasionadiferencias de temperaturas entre el agua del modelo y larealidad.

Base iluminada sobre la cual se coloca el equipo de prueba de jarras

Equipo auxiliarAdemás de la unidad de agitación, es necesario uncronómetro para controlar el tiempo, además:a) Turbidímetro, se considera como el parámetro másimportante para caracterizar los procesos.b) Medidor de pH.- la efectividad de la coagulacióndepende directamente del pH. Debido a ello, lamedición de este parámetro antes y después de lafloculación.c) Comparador de color, cuando el interés es la remocióndel color en lugar de la turbiedad. medición del colorresidual del agua después de floculada y sedimentada.d) Vidriería.- Vasos de 02 lts, 120 ml, 30 ml, pipetas de 2y 10 mL.

Precauciones y Limitaciones

El ensayo de pruebas de jarras constituye unareproducción parcial del proceso. Las razones son lassiguientes:a) En los reactores existe un flujo continuo; en cambio,en las jarras no hay flujo.b) La escala de las jarras no guarda relación con la escaladel flóculo, por cuanto este se produce a escala natural y,en cambio, las jarras son cientos de veces más pequeñasque los floculadores.c) La dosificación de los coagulantes y la agitación de lamasa de agua pueden ser mucho mejor controladas en laprueba de jarras que en la planta de tratamiento.

Consideraciones generales para la ejecución deensayos en la prueba de jarrasSe deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:1) equipo usado para la prueba;2) análisis de laboratorios requeridos;3) dosis de coagulante;4) concentración del coagulante;5) sistema de adición del coagulante;6) dosificación del ayudante de floculación;7) sistema de adición del ayudante de floculación;8) tiempo de duración y gradiente de velocidad de la mezclarápida;9) tiempo de duración y gradiente de velocidad de la mezclalenta;10) sistema de toma de muestra.

Entre las observaciones generales que se debentener en cuenta al ejecutar la prueba de jarras,tenemos:

a) El tiempo y secuencia de dosificación.

b) En todos los casos, después de dosificados ymezclados los coagulantes con el agua, se deben tener encuenta las siguientes observaciones:§ Soluciones químicas empleadas.§ Tamaño del flóculo producido.§ Tiempo inicial de formación del flóculo§ Determinación de pH, alcalinidad, coagulante y

turbiedad o color residuales.

� Soluciones químicas empleadas (1)

Las soluciones de coagulantes, ayudantes de coagulación yotros productos químicos que se van a usar en las pruebasde coagulación deben ser preparados en concentracionestales que puedan ser medidas de manera conveniente yprecisa.

Soluciones patrón para la prueba de coagulación

El reactivo principal es la solución de sulfato dealuminio, cloruro o sulfato férrico.

Se prepara agregando agua destilada a 100 g decoagulante hasta completar el volumen de 1.000 mL, conlo que se obtiene una solución de 10% que se puedeconservar como solución patrón, por uno, dos o tresmeses “solución madre”.

El ensayo de prueba de jarras se hace diluyendo 10 mL dela solución patrón hasta completar 100 mL con aguadestilada. Queda una solución al 1% que no se puedeconservar por más de 24 horas pues corre el riesgo dehidrolizarse y perder buena parte de su capacidad decoagulación.

� Soluciones químicas empleadas (2)

� Tamaño del flóculo producidoSe observa el tamaño del flóculo producido y se lo evalúacualitativamente según sus características. Su tamañopuede expresarse en mm o según el índice de Willcomb.Se escoge como dosis óptima la de la jarra que produceuna partícula más grande, aunque no siempre el mayortamaño de partículas produce la mayor velocidad deasentamiento aparente y que deje ver el agua máscristalina entre los flóculos.

� Tiempo inicial de formación del flóculoDeterminar, en segundos, el tiempo que tarda enaparecer el primer indicio de formación de flóculo esuno de los sistemas para cuantificar la velocidad de lareacción.El tiempo de aparición del primer flóculo será igual altiempo inicial de aplicación del coagulante a la jarrahasta que se note el primer indicio de flóculo, menos eltiempo que tarde en hacerse la aplicación a la jarraconsiderada.Esta determinación es bastante subjetiva y depende delcriterio del observador.

� Determinación de pH, alcalinidad, coagulante yturbiedad o color residuales.

La determinación de estos parámetros se hace despuésde cumplido el tiempo de decantación. Se extraen laspaletas del agitador, se deja sedimentar el agua duranteeste tiempo y se succiona la muestra con una pipetavolumétrica de 100 mL, a la misma profundidad en todoslos vasos (3 a 10 cm) o por medio de un sifón.

A la muestra así extraída se le determina: (a) el pH, (b) laalcalinidad total, (c) la turbiedad o el color, y (d) elcontenido de coagulante residual.

Parámetros de dosificación

Los principales ensayos de dosificación que se debendeterminar en el laboratorio son los siguientes:

üSelección del coagulante apropiado;üRango de dosis óptimas necesarias;üConcentración óptima del coagulante;üPh óptimo de coagulación;üDosis de modificador de ph;üSelección de ayudante de coagulación y dosis óptima.

APLICACIONES PRÁCTICAS

3.0 Determinación de parámetros de diseño

FIG 2.1 CURVA DE SEDIMENTACION NATURAL

0

50

100

150

200

250

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Tiempo ( hr)

T = 228 NTU

Se efectuó una prueba de sedimentaciónnatural para determinar cuanta turbiedadse podía remover por este medio y en unperiodo de una hora de duración se logroremover 93 UNT. Se prolongo durante doshoras, lográndose remover 19 UNT más,luego de este lapso de tiempo se hizoasintótica indicando que ya no era posibleremover mas turbiedad por este medio.Figura 2.1

El estudio se desarrollo con una muestra de agua cruda que tenía 218 UNT, tomada a principios de abril del 2,009.

Determinación de Dósis Óptima del Coagulante

FIG. 2.2 DOSIS OPTIMA DE COAGULANTETo=132 UNT

0 .0

2 .0

4 .0

6 .0

8 .0

10 .0

12 .0

10 2 0 3 0 4 0 50 6 0

D osis ( mg / l)

Se efectuó una prueba de dosis óptima conuna muestra que tenia 132 UNT, obtenida apartir del sobrenadante de la muestraanterior y se obtuvo una dosis de 20 mg/l yuna turbiedad residual de 2.15 UNT. Fig.2.2.

FIG. 2.3 CONCENTRACION OPTIMA

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

C ON C EN TR A C ION ( %)

Se efectuó la prueba dedeterminación de concentraciónóptima con una muestra que tenia1,043 UNT, y se obtuvo unaconcentración del 1% y una turbiedadresidual de 1.48 UNT. Fig. 2.3.

Determinación de Concentración Óptima de Coagulante

FIG 2.4 pH OPTIMO

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0p HpH natural = 8.0

La prueba de pH óptimo indico queel pH natural del agua producía lasmejores condiciones de remoción deturbiedad. Fig.2.4.

Determinación de pH Óptima de Coagulante

FIG. 2.5 TIEMPO TOTAL DE FLOCULACION

0 .0

5.0

10 .0

15.0

2 0 .0

2 5.0

3 0 .0

3 5.0

4 0 .0

4 5.0

50 .0

5 10 15 2 0 2 5 3 0TI EM P O ( mi n. )

8 0 s- 1 70 s- 1 6 0 s- 1 4 0 s- 1 2 0 s- 1

Las pruebas de floculación variandogradientes de velocidad entre 20 y 80s-1 y tiempos de retención entre 5 y30 minutos, indicaron que el tiempototal requerido por este proceso variaentre 20 y 25 minutos minutos. Figura2.5.

Determinación de Parámetros Óptimos de Floculación(1)

05

1015

20253035404550

80 70 60 40 20

Grad ient es de V elo cidad ( s- 1)

T = 5 T = 10 T = 15 T = 20 T = 25 T = 30

FIG. 2.6 GRADIENTES DE VELOCIDAD OPTIMAS

También se puede apreciar que lascurvas correspondientes a losgradientes de 70, 60 y 40 s-1 son lasque aparecen en la parte baja delgrafico, indicando que son las queoptimizan el proceso. Figura 2.6.

Determinación de Parámetros de Floculación(2)

FIG. 2.7 GRADIENTES DE VELOCIDAD Y TIEMPOS OPTIMOS

y = -14.853Ln(x) + 103.03R2 = 0.3701

10

100

1 10 100

T iempo ( min)

El grafico de correlación de gradientesóptimos de floculación versus tiempo,indico que en estas condiciones el aguarequiere gradientes de velocidad de 72a 56 s-1. Figura 2.6.

Determinación de Parámetros de Floculación(3).

FIG. 2.8 CURVA DE DECANTACION (G=72,62,20)

0.0000.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.1000.1100.120

0.00 0.05 0.10 0.15

Vs (cm/ s )

Aplicando Los parámetros óptimos dedosificación y floculación determinados,se efectuó la prueba de decantaciónobteniéndose la curva de la Figura 2.8.

Determinación de Parámetros de Decantación (1)

Analizando la curva de la Figura 2.8 se obtiene la información del Cuadro 3, en el cual se puede apreciar que, tratando el agua del Rio Lambayeque con una tasa de decantación de 30 m3/m2.d se puede obtener un efluente con 2.0 UNT, lo cual permitiría optimizar el funcionamiento de la batería de filtros y obtener las metas de calidad de agua de bebida.

Cuadro 3Selección de la velocidad optima de decantación

q Vs Rt Tr Tf(m3/m2/d) (cm/s) (%) (UNT) (UNT)

10 0.012 0.015 1.000 95.15 0.0520 0.023 0.034 0.993 94.50 0.7030 0.035 0.074 0.977 92.96 2.2440 0.046 0.084 0.970 92.36 2.8450 0.058 0.090 0.966 91.97 3.2360 0.069 0.095 0.963 91.66 3.54

Co

Determinación de Parámetros de Decantación (2)

Determinación de la dosis óptimaa) PropósitoEl objetivo de este ensayo es determinar la dosis decoagulante que produce la más rápida desestabilizaciónde las partículas coloidales, que permita la formación deun flóculo grande, compacto y pesado, que pueda serfácilmente retenido en los decantadores y que no serompa y traspase el filtro. Debe observarse que nonecesariamente el flóculo que sedimenta con rapidez esel que queda retenido en el filtro. El flóculo que se buscaes el que dé el mayor rendimiento, con todo el conjuntode procesos.

b) Equipos, materiales y reactivos• Equipo de prueba de jarras con 6 jarras de 2 litros, 6deflectores, 6 tomadores de muestras y 6 jeringashipodérmicas desechables de 10 cm3, con sus agujas.• Turbidímetro con la sensibilidad suficiente paradeterminar con precisión turbiedades menores de 10UNT, de preferencia un equipo nefelométrico de tipodigital.• Colorímetro.• Medidor de pH.• Seis vasitos de 50 y 100 mL, de vidrio o plástico.• El coagulante seleccionado.

Procedimiento1) Determinar la temperatura, la turbiedad, el color, elpH, la alcalinidad y ladureza total del agua cruda con la que se va a trabajar.Determinar también la presencia de hierro y manganesosi esta es significativa.2) Calcular la cantidad de coagulante que se va a aplicar acada jarra mediante la ecuación de balance de masas.3) Colocar las cantidades del coagulante que se va aaplicar a las jarras en cada vasito mediante una pipeta.Succione el contenido del vasito con una jeringahipodérmica con la aguja puesta, para extraer hasta laúltima gota.

4) Retire la aguja y coloque la jeringa delante de la jarracorrespondiente.Ponga en funcionamiento el equipo de prueba de jarrasprogramando las memorias de la siguiente manera:Memoria 1 = tiempo: 5 segundos, Velocidad = 300 rpmMemoria 2 = tiempo: 20 minutos, Velocidad = 40 rpm

5)Inicie el funcionamiento del equipo, aplicando enforma simultánea e instantánea el coagulante a todas lasjarras. Cuide de que la solución penetre profundamentepara que la dispersión sea más rápida. Recuerde que paraque el proceso sea bien simulado, el coagulante debeaplicarse en el punto de máxima turbulencia.

6) Si el agua requiere un alcalinizante, este debeañadirse antes del coagulante.No es necesario contabilizar el tiempo entre la aplicaciónde ambos. La dosis de alcalinizante se decidirá en unaprueba especial, en la que manteniendo la dosis decoagulante constante, se aplicarán dosis variables de unasuspensión de cal al 1% (10 gramos de cal en un litro deagua).7) Cuando el proceso de floculación se inicie, estaremosatentos a identificar en qué jarra aparece primeroformación de flóculos y anotaremos el tiempo en queesto ha ocurrido.8) Instantes antes de que el proceso de floculaciónconcluya, observe el tamaño del flóculo que se hadesarrollado

9)Una vez que el equipo ha concluido con los tiempos demezcla y floculación, se apaga automáticamente y seprocede a retirar las jarras, colocar los tomadores demuestras, cebar los sifones utilizando una jeringa,atracar el extremo del sifón utilizando una liga o bandita(colocada alrededor de la jarra), y dejaremos sedimentarel agua entre 5 y 15 minutos.10) Cumplido el tiempo de sedimentación seleccionado,descartar los primeros 10 mL de muestra retenidos en elsifón y tomar las muestras a todas las jarras en unvolumen de aproximadamente 30 mL. Medir turbiedad ycolor.Si se requiere mayor cantidad de muestra para análisisadicionales (pH, hierro, manganeso, etcétera), tomarlaposteriormente.

11) Los resultados se grafican en papel aritmético. Seselecciona como dosis óptima aquella que produce lamenor turbiedad12) Se analizan los diversos datos de dosis óptima paracada turbiedad de agua cruda y, mediante la teoría demínimos cuadrados, se determina la recta de mejorajuste que será de la forma: y = a + bx.

Donde:y = turbiedad de agua cruda yx = dosis óptima de coagulante

para obtener la curva de dosificación de coagulante parael agua en estudio.