EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE MEZCLADO, PUNTO DE ADICIÓN DE COAGULANTE YFLOCULANTE EN LA EFICIENCIA DE UN TRATAMIENTO PRIMARIO AVANZADO

Chávez Mejía Alma, Jiménez Cisneros Blanca

Instituto de Ingeniería, UNAMApdo. postal 70-475, C.P. 04510

México, D. F.

RESUMEN

La Ciudad de México tratará sus aguas residuales para controlar el problema de contaminación por su empleodesde hace más de 100 años en irrigación del Valle del Mezquital. Los objetivos del tratamiento son eliminarlos Huevos de Helmintos y preservar las propiedades fertilizantes del agua (N, P y DQO). Para este propósito,con el objeto de demostrar la factibilidad del Tratamiento Primario Avanzado (TPA), se construyó una plantapiloto de 70 L/s donde se realizaron pruebas con tres coagulantes y varios polímero aniónico, empleando lasmejores condiciones obtenidas en pruebas de jarras. Las variables de operación trabajadas fueron:concentración, tipo y punto de adición de coagulante y floculante.Las mejores eficiencias se obtuvieron con sulfato de aluminio (50 mg/L) logrando un 69% de remoción de SST.Con el uso de 50 mg/L de cloruro férrico se obtiene un 63% y un 47% cuando se emplea la cal (250 mg/L).Para evaluar el punto de adición, sólo se empleó sulfato de aluminio en 11 situaciones diferentes, de las cualesel mejor resultado se obtuvo al adicionar el coagulante en el tanque de mezcla rápida y el floculante en latercera cámara de floculación; reduciendo los SST de 197 mg/L en el influente a 56 mg/L a la salida con un71% de remoción y 30% para la DQOt. Al eliminar las cámaras de coagulación y floculación se obtieneneficiencias similares pero el costo de inversión inicial es considerablemente menor.

Palabras clave: coagulación-floculación, tratamiento primario avanzado

ANTECEDENTES

Para tratar el agua residual de la Ciudad de México se construirán 4 plantas de tratamiento con una capacidadtotal de 74.5 m3/s. El agua tratada se continuará empleando para irrigar 85,000 ha de cultivos en las zonas deChiconautla, Zumpango y Tula. Actualmente, con el uso de agua cruda para riego el incremento de laproductividad se encuentra por arriba de la media nacional (150%), sin embargo los problemas de salud sontambién 13 veces mayores comparados con los pobladores de la zona que no tienen contacto con el aguaresidual.

Ante la magnitud del proyecto, la operación de una planta piloto es sin duda una actividad esencial para ayudaral correcto dimensionamiento de una planta, certificar el logro de los objetivos de tratabilidad deseados ydemostrar la viabilidad del proceso en forma continua. La planta piloto consistió en un sistema de 70 L/subicado en el km 20 de Gran Canal donde se empleó el Tratamiento Primario Avanzado el cual consiste en laadición de compuestos químicos para eliminar sólidos suspendidos y materia orgánica, principalmentesuspendida. Este proceso ha sido empleado exitosamente en países como Noruega y Suecia (Karlsson,1985), Francia (Shao et al., 1993), España y en algunos lugares de Estados Unidos (Harleman et al., 1991) yes muy útil cuando existe una gran variabilidad del afluente en términos de calidad y cantidad o cuando elefluente es destinado al reúso agrícola, como el caso de la Ciudad de México.

El tratamiento de las aguas del drenaje del Área Metropolitana de la Ciudad de México debe tener comopropósito fundamental la desinfección, con el doble propósito de proteger la salud de la población de la zona yde levantar restricciones a los cultivos en beneficio de la economía local. Asimismo, conviene que eltratamiento remueva lo menos posible la materia orgánica y los nutrientes del agua, para evitar reducir en loposible, sus propiedades fertilizantes para la producción agrícola.

DESCRIPCIÓN DEL MODELO FÍSICO

La planta piloto (Fig 1) cuenta con un tanque de preparación dividido en tres cámaras, un tanque de mezclarápida, tres cámaras de floculación y un sedimentador rectangular. La Tabla 1 presenta las condiciones deoperación. La primera etapa de operación consistió en que la planta funcionó con el tanque de preparación, lamezcla rápida y cámara de floculación. En este caso se estudio el efecto de tres diferentes coagulantes:Cloruro férrico, Sulfato de Aluminio e Hidróxido de calcio, combinados con distintos polielectrólitos aniónicosde alto peso molecular (Nalcomex 2144 y 7179, Prosifloc A-252 y Vitro PQA-01) en concentraciones quevariaron entre 0.1 a 0.8 mg/L.

En la segunda etapa, se aplicó el coagulante y floculante en diversos puntos del sistema, para lo cual seutilizó únicamente Sulfato de aluminio (diferentes dosis) con 2 polielectrólitos ( Vitro PQ-01 y Prosifloc A-252con varias dosis). La diferencia más importante en esta etapa fue la eliminación de las cámaras (tanques decoagulación y floculación), empleando solamente el sistema de preparación para aplicar el coagulante. Lospuntos de adición de coagulante fueron varios mientras que el floculante siempre se dosificó a la entrada deltanque de sedimentación a través de un by-pass. Posteriormente, se hizo un cambio para añadir elpolielectrólito en el tanque de mezcla rápida sin agitación mecánica. La Tabla 2 presenta los diversos puntosde aplicación de coagulante y floculante en cada etapa.

Tabla 1 Condiciones de operación

PERÍODO COAGULANTE FLOCULANTE

TIPO DOSIS(mg/L)

TIPO DOSIS(mg/L)

I1O de enero - 31 de enero FeCl3 50 Nalcomex 7179

Nalcomex 21440.25, 0.4, 0.8

0.4, 0.8

II1O febrero -14 de marzo Al2(SO4)3 50,40 Prosifloc A-252 0.4

III15 de marzo al 2 de abril Ca(OH)2 200, 225,

250Prosifloc A-252 0.1-0.4

IV3 de abril - 20 de mayo FeCl3

NaClO+FeCl3Fe2SO4+Cl2+FeCl3Fe2SO4+Cl2+FeCl3

507+50

40+7+25+7+20

Prosifloc A-252Prosifloc A-252Prosifloc A-52

Prosifloc A-252

10.50.50.5

V21 de mayo - 26 de junio Al2(SO4)3 VITRO A-01

VI26 de junio -28 de octubre Al2(SO4)3

40, 45,50, 55

Prosifloc A-252y Vitro PQA-01

.25, 0.4. 0.5, 0.60.3, 0.35, 0.4, 0.5

Tabla 2 Condiciones de operación durante el seguimiento de planta piloto

CONDICIÓN PUNTOS DE APLICACIÓN PARA EL COAGULANTE Y FLOCULANTE

1 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida.Aplicación de floculante en la tercera cámara de floculación.

2 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida.Aplicación de floculante en la primera cámara de preparación.

3 Aplicación de coagulante en el tanque de mezcla rápida.Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass).

4 Aplicación de coagulante al final de la tercera cámara de preparación.Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass).

5 Aplicación del coagulante a la mitad de la tercera cámara de preparación.Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass)

6 Aplicación de coagulante al final de la segunda cámara de preparación.Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass).

7 Aplicación de coagulante al inicio de la tercera cámara de preparación.Aplicación de floculante en la entrada del sedimentador (by-pass).

8 Aplicación de coagulante a la mitad de la segunda cámara de preparación.Aplicación del floculante en la entrada del sedimentador (by-pass).

9 Aplicación de coagulante al inicio de la tercera cámara de preparación.Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida.

10 Aplicación de coagulante al final de la segunda cámara de preparación.Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida.

11 Aplicación de coagulante a la mitad de la tercera cámara de preparación.Aplicación de floculante en el tanque de mezcla rápida.

Los parámetros de seguimiento se realizaron de acuerdo con los Métodos Estándar (APHA, AWWA, WEF,1995) y fueron: Sólidos Suspendidos Totales (mg/L), Sólidos Suspendidos Volátiles (mg/L), SólidosSuspendidos Fijos (mg/L), pH, Demanda Química de Oxígeno total (mg/L), Conductividad (µmhos/cm),Turbiedad (UTN), Color (Pt-Co), Huevos de Helmintos (HH/L) Coliformes fecales (NMP/100 ml), Nitrógeno totalKjeldal (mg/L) y P-PO4 (mg/L). Debido a la relación entre SST y concentración de Huevos de Helmintos, laevaluación de la eficiencia se efectuó en función de los primeros de acuerdo con la ecuación (Capella,1995):3.08 - 0.146x + 0.0032 x2

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Fig 2 presentan el comportamiento de los SST (mg/L) según los distintos coagulantes utilizados la lo largode la operación de la planta piloto. Como se observa, existe una gran variación en la concentración de SST deentrada, sin embargo los SST en el efluente se mantienen casi constante aún cuando se trabajan diversostipos y dosis de coagulantes.

PRIMERA ETAPA DE OPERACIÓN.- Planta piloto operada con tanque de preaeración, mezcla rápida ycámara de floculación. En la Tabla 3 se muestran los resultados de la primera etapa, en la cual semanejaron dos puntos distintos de aplicación de coagulante y floculante. De acuerdo con los resultadosobtenidos y bajo las condiciones de operación trabajadas durante el seguimiento de la planta piloto se pudoobservar que cuando se emplea cloruro férrico los SST (180 mg/L) son reducidos a 66 mg/L en el sistema,alcanzando una eficiencia de remoción del 63%, sin embargo existió la aparición de coloración negra que enocasiones era muy intensa y que limita la aplicación de este coagulante. Cuando se aplicó Sulfato de aluminio,los SST en el influente fueron de 182 mg/L y 57 mg/L se detectaron a la salida y con la Cal se tuvo de 135 a 72mg/L a la salida, que equivalen en porcentajes de remoción de 69 y 47% respectivamente.Una observación generalizada es la dependencia de la eficiencia lograda con respecto a la concentración desólidos a la entrada a lo largo de todo el período experimental, dado que los sólidos del efluente se mantienenrelativamente constante. En efecto, con el hidróxido de calcio, las eficiencias de remoción de SST variaron enun intervalo de 37 a 64%, debida principalmente a que durante el período en estudio los valores a la entradafueron bajos (desde 118 a 151 mg/L) en comparación con los del cloruro férrico ( del orden de 153 a 196

F ig 2 SST en la Planta Piloto (70 L/s)

20

90

1 6 0

2 3 0

3 0 0

3 7 0

4 4 0

1 7

13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97

103

109

115

121

127

133

139

145

151

157

163

169

175

Días de operación

SST

(m

g/L

)

TSS INF (mg/L) TSS EFL (mg/L)

Clo

ruro

fér

rico

(5

0 m

g/L

)

Sulf

ato

de

alum

inio

(50

mg/

L)

Sulfato de aluminio ( 50 mg/L)

Hid

róxi

do

de

calc

io (

250

mg/

L)

mg/L), para el caso del sulfato de aluminio se observó también esta dependencia de la eficiencia ya quecuando se tuvo concentraciones de 201 mg/L de SST en el influente se alcanzó una remoción de 74%,mientras que con una concentración de entrada de 79 mg/L la remoción se vio disminuida a 14%, dando comopromedio un 54% de remoción de SST. De todas formas, lo importante es considerar la concentraciónpromedio de SST en el efluente para cada coagulante que fue de 55 mg/L cuando se emplea Cloruro férrico,con 227 mg/L de cal se obtuvieron como valor promedio 72 mg/L a la salida y 64 mg/L cuando se dosificó 50mg/L de Sulfato de aluminio

En la segunda condición de operación sólo se trabajó con sulfato de aluminio, los resultados muestran 197mg/L de SST en la entrada y 56 a la salida con un 71% de remoción, el pH de salida es de 7.79 y el procentajede remoción de la DQOt fue de 30%

Tabla 3 SST para tres coagulantes con la misma condición de operación en la planta piloto

COAGULANTE DOSIS SST inf SST efl % rem

Cloruro Férrico 50 180 66 63

Sulfato de aluminio 50 182 57 69

Hidróxido de calcio 250 135 72 47

SEGUNDA ETAPA DE OPERACIÓN.- Aplicación de coagulante y floculante en diversos puntos delsistema. En la Fig 3 se presenta una comparación de las diferentes condiciones trabajadas con 50 mg/L desulfato de aluminio y de 0.3 a 0.4 de polielectrólito. Los mejores resultados se obtienen cuando el coagulantese aplica en el tanque de mezcla rápida y el floculante en la primera cámara de preparación (segundacondición). Sin embargo, esta remoción también se pudo deber a la concentración de SST de entrada que fuede 197 mg/L, favoreciendo el proceso de coagulación- floculación.

1

5 0

Al2 (SO4)3

2

5 0

Al2 (SO4)3

3

5 0

Al2 (SO4)3

4

5 0

Al2 (SO4)3

5

5 0

Al2 (SO4)3

6

5 0

Al2 (SO4)3

7

5 0

Al2 (SO4)3

8

5 0

Al2 (SO4)3

9

5 0

Al2 (SO4)3

1 0

5 0

Al2 (SO4)3

1 1

5 0

Al2 (SO4)3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

SST

(m

g/L

)

1

5 0

Al2 (SO4)3

2

5 0

Al2 (SO4)3

3

5 0

Al2 (SO4)3

4

5 0

Al2 (SO4)3

5

5 0

Al2 (SO4)3

6

5 0

Al2 (SO4)3

7

5 0

Al2 (SO4)3

8

5 0

Al2 (SO4)3

9

5 0

Al2 (SO4)3

1 0

5 0

Al2 (SO4)3

1 1

5 0

Al2 (SO4)3

Condiciones de operación

Fig 3 Comportamiento de los SST con relación a diferentes condiciones de

operación en la Planta Piloto

TSS inf TSS efl

69%71%

22% 31%

53%

61%

58%

41%

64%

45%

44%

Cuando en un sistema primario avanzado se utiliza sulfato de aluminio, se puede esperar una concentración deSST en el efluente entre 49 a 66 mg/L, esta concentración de salida es completamente dependiente de laconcentración de entrada y del lugar de aplicación del coagulante y floculante. Cuando el coagulante se aplicaal final de la segunda cámara de preparación y el floculante en el tanque de mezcla rápida (condición 10) seobserva resultado de remoción de SST del 64%, 31% en turbiedad y 28% para la DQOt, con un pH en elefluente de 8. Esto en términos de costo implica una reducción inicial de obra civil y un complimiento de normabueno. Una observación importante durante el seguimiento fue que la eficiencia de remoción de sólidos sealcanza desde la segunda cámara del sedimentador ya que la concentración de SST en ésta variaron de 46 a76 mg/L contra de 55 a 66 mg/L en la salida.

En la Fig 4 se muestran los resultados promedio de nitrógeno total y fósforo, obtenidos en la planta piloto deldía 12/10/95 al 24/10/95. Para el caso del nitrógeno se tienen un porcentaje de remoción de 1% para el N-totaly del 28% para el caso del fósforo. La Tabla 4 se muestra la aportaciones de nutrientes que se darían la suelopor medio del agua tratada por un sistema de Tratamiento Primario avanzado, tomando en cuenta que seutiliza el Sulfato de aluminio (50 mg/L) se trata un gasto de 35 m3/s y con un ciclo agrícola de 180 días.

.

Influente EfluentePrimario

Influente EfluentePrimario

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(mg

/L)

Influente EfluentePrimario

Influente EfluentePrimario

Fig 4 Concentración de P-PO4 y N-total (mg/L) durante el seguimiento de la Planta Piloto empleando Sulfato de aluminio (55 mg/L) y prosifloc a-252 (.25 mg/L)

P-PO4 (28% rem)

NTK (1% rem)

Tabla 4 Aportación de nutrientes con el efluente del tratamiento primario avanzado

APORTACION MAIZ(NECESIDADES)

FRIJOL(NECESIDADES)

ALFALFA(NECESIDADES)

N- total P-PO4 N- total P-PO4 N- total P-PO4 N-total P-PO4

(kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha) (kg/Ha)

275 433 60 a 230 20 a 100 40 a 120 40 a 60 40 80

CONCLUSIONES

.Durante la primera etapa se obtuvo que el mejor coagulante en la práctica resultó el sulfato de aluminio a 50mg/L con el cual se logra 69% de eficiencia en cuando a remoción de SST. Con cloruro férrico (50 mg/L) setienen 63% y con 250 mg/L de cal se alcanzó un 47% de remoción.

Durante la comparación de los puntos de adición del reactivo (segunda etapa), cuando el coagulante se aplicaen el tanque de mezcla rápida y el floculante en la primera cámara de floculación (condición 2) la eficiencia deremoción de SST lograda fue la mayor (71%), sin embargo cuando el coagulante se aplica al final de lasegunda cámara de preparación y el floculante en el tanque de mezcla rápida (condición 10) se puedenalcanzar eficiencias similares (64%) lo que conduce a proponer la una eliminación de la cámara de coagulacióny floculación para tener una disminución considerable del costo de inversión inicial.

Se considera que la remoción de parásitos ( del orden de 2 a 3 HH/L) es satisfactoria para el propósito deproteger la salud de los trabajadores agrícolas y de la población de la zona en general sin embargo paralevantar restricciones a los cultivos se debe cumplir con la NOM-CCA-033-1993 con < 1 HH/L lo cual sealcanzaría con un paso posterior al TPA como lo es la filtración.

En lo que respecta a la remoción de nutrientes (nitrógeno y fósforo), después de una sedimentación primariaesta va ha ser mínima (1 y 28% respectivamente) por lo que la aportación de nitrógeno y fósforo hacia la zonaagrícola puede ser benéfica y aprovechada por los cultivos.

AGRADECIMIENTOS

A la Comisión Nacional del Agua (CNA) quién apoyó al instituto de Ingeniería para la elaboración de esteproyecto. A los Ing. Ambientales Carmen de la Concha Alcántara y Ramón Vera Coronado por llevar elseguimiento y al Ing. Rubén Sánchez Rangel por la operación de la planta.

REFERENCIAS

APHA, AWWA, WPCF (1989). Standard Methods for the Examination of Water and Waste Waters, 17thEdition. Washington, D.C.

Capella A., (1995) Feasibility study for the sanitation of the Valley of México. Comisión Nacional del Agua (CNA). Finaly report, december, 1995

Harleman, D. Morrissey, S and Murcott S. (1991) "The case for using chemically Enhanced primary treatment in a New cleanup for Boston Harbor". Boston Soc. Civil Engrs. Section/ASCE 6:69.

Jiménez B., Chávez A., Galván M., Hurtado C. y Castillo J. (1995) Estudio de la factibilidad dela gua residualdel Valle de México. Tratabilidad del agua residual mediante el proceso primario avanzado (Vol 1).Proyecto 4347. Instituto de Ingeniería, UNAM.

Jiménez B., Chávez A., Galván M., Hurtado C. y Castillo J. (1995) Estudio de la factibilidad dela gua residualdel Valle de México. Tratabilidad del agua residual mediante el proceso primario avanzado (Vol 2).Proyecto 4347. Instituto de Ingeniería, UNAM.

Karlsson, I (1985). Chemical Phosphorous Removal in Combination with Biological Treatment. ManagementStrategies for Phosphorous in the Environment International Conference, Lisbon ISNN-948411-00-7Edited by Lester, J. N and Kirk, P.W.W.

Shao, Y.J., Liu, A., Jenkins, D., Wada, F. and Cross, J. (1993). Advanced Primary Treatment: an Alternative toBiological Secondary Treatment. The City of Los Angeles (CA) Hyperion Treatent Plant Experience.Proceedings of the 66th Annual Conference & Exposition. Anaheim, California, USA, pp 181-191.