Procesos Unitarios y Plantas de Tratamiento

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CAPTULO 3 PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE TRATAMIENTO Ing. Lidia de Vargas

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1.

INTRODUCCIN

Las diversas actividades agrcolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano han trado como consecuencia la contaminacin de las aguas superficiales con sustancias qumicas y microbiolgicas, adems del deterioro de sus caractersticas estticas. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por los seres humanos. Una operacin unitaria es un proceso qumico, fsico o biolgico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentracin o en el estado de una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenmeno recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introduccin de oxgeno al agua (transferencia de la fase gaseosa a la lquida) y la liberacin de anhdrido carbnico contenido en el agua (transferencia de la fase lquida a la gaseosa) mediante el proceso de aereacin.

2.

PRINCIPALES OPERACIONES UNITARIAS EMPLEADAS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA

Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: transferencia de slidos; transferencia de iones; transferencia de gases, y transferencia molecular o de nutrientes.

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2.1

Transferencia de slidos

Se consideran en esta clasificacin los procesos de cribado, sedimentacin, flotacin y filtracin. Cribado o cernido Consiste en hacer pasar el agua a travs de rejas o tamices, los cuales retienen los slidos de tamao mayor a la separacin de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos slidos. Tambin est considerado en esta clasificacin el microcernido, que consiste bsicamente en triturar las algas reduciendo su tamao para que puedan ser removidas mediante sedimentacin. Sedimentacin Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partculas en suspensin ms densas. Este proceso se realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores; en estos ltimos, con el auxilio de la coagulacin. Flotacin El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los slidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotacin. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Los agentes de flotacin empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire. Filtracin Consiste en hacer pasar el agua a travs de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actan una serie de mecanismos de remocin cuya eficiencia depende de las caractersticas de la suspensin (agua ms partculas) y del medio poroso.

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Este proceso se utiliza como nico tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados adems de la arena que es el ms comn son la antracita, el granate, la magnetita, el carbn activado, la cscara de arroz, la cscara de coco quemada y molida y tambin el pelo de coco en el caso de los filtros rpidos. En los filtros lentos lo ms efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles. 2.2 Transferencia de iones

La transferencia de iones se efecta mediante procesos de coagulacin, precipitacin qumica, absorcin e intercambio inico. Coagulacin qumica La coagulacin qumica consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga elctrica de los coloides para favorecer la formacin de flculos de mayor tamao y peso. Los coagulantes ms efectivos son las sales trivalentes de aluminio y fierro. Las condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulacin. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color. Precipitacin qumica La precipitacin qumica consiste en adicionar al agua una sustancia qumica soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remocin de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento), mediante la adicin de cal. Intercambio inico Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio slido a travs del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a travs de un medio poroso

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constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera introducindola en un recipiente con una solucin saturada de sal. Absorcin La absorcin consiste en la remocin de iones y molculas presentes en la solucin, concentrndolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la accin de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remocin de olores y sabores, mediante la aplicacin de carbn activado en polvo. 2.3 Transferencia de gases

Consiste en cambiar la concentracin de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aereacin, desinfeccin y recarbonatacin. Aereacin La aereacin se efecta mediante cadas de agua en escaleras, cascadas, chorros y tambin aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersin o burbujeo. Se usa en la remocin de hierro y manganeso, as como tambin de anhdrido carbnico, cido sulfhdrico y sustancias voltiles, para controlar la corrosin y olores. Desinfeccin Consiste en la aplicacin principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada. Recarbonatacin Consiste en la aplicacin de anhdrido carbnico para bajar el pH del agua, normalmente despus del ablandamiento. 2.4 Transferencia molecular

En el proceso de purificacin natural del agua. Las bacterias saprofitas degradan la materia orgnica y transforman sustancias complejas en material

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celular vivo o en sustancias ms simples y estables, incluidos los gases de descomposicin. Tambin los organismos fotosintticos convierten sustancias inorgnicas simples en material celular, utilizando la luz solar y el anhdrido carbnico producto de la actividad de las bacterias y, a la vez, generan el oxgeno necesario para la supervivencia de los microorganismos aerbicos presentes en el agua. Este tipo de transferencia se lleva a cabo en la filtracin, en la cual los mecanismos de remocin ms eficientes se deben a la actividad de los microorganismos. 2.5 Otros procesos utilizados

Adems de los procesos de transferencia expuestos, tambin se utilizan en el tratamiento del agua para consumo humano la estabilizacin de solutos, la desalinizacin y la fluoruracin. Estabilizacin de solutos La estabilizacin de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma inocua, sin llegar a su remocin. Son ejemplos de este proceso la transformacin del anhdrido carbnico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adicin de cal o el pasar el agua a travs de lechos de mrmol. Tambin se puede citar la transformacin de cido sulfhdrico en sulfato. Desalinizacin Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilacin, smosis inversa, etctera. Fluoruracin Adicin de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los nios menores de 5 aos.

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3.

PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA O PLANTAS POTABILIZADORAS

Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiolgicos presentes en el agua cruda y parcialmente los fsicos y qumicos, hasta llevarlos a los lmites aceptables estipulados por las normas. 3.1 Tipos de plantas de tratamiento de agua

Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en plantas de filtracin rpida y plantas de filtracin lenta. Tambin se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnologa usada en el proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnologa apropiada y plantas de tecnologa importada o de patente. 3.1.1 Plantas de filtracin rpida Estas plantas se denominan as porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300 m3/m2.d, de acuerdo con las caractersticas del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones. Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situacin, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante devolvindole su porosidad inicial y reanudar la operacin de la unidad. De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtracin rpida completa y plantas de filtracin directa.

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Planta de filtracin rpida completa

Una planta de filtracin rpida completa normalmente est integrada por los procesos de coagulacin, decantacin, filtracin y desinfeccin. El proceso de coagulacin se realiza en dos etapas: una fuerte agitacin del agua para obtener una dispersin instantnea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rpida) seguida de una agitacin lenta para promover la rpida aglomeracin y crecimiento del floculo (etapa de floculacin). La coagulacin tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remocin de partculas coloidales en el proceso de decantacin (sedimentacin de partculas floculentas). El proceso final de filtracin desempea una labor de acabado, le da el pulimento final al agua. De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Proteccin Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que est libre de huevos de parsitos (Giardia, Cryptosporidium, etctera). Para lograr esta eficiencia en la filtracin, es necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como mximo. Finalmente, se lleva a cabo la desinfeccin, proceso comn a los dos tipos de plantas, las de filtracin rpida completa y las de filtracin directa. La funcin principal de este proceso es completar la remocin de microorganismos patgenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de proteccin contra la contaminacin que el agua pueda encontrar en el sistema de distribucin. La desinfeccin, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mnimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se ver detalladamente en el captulo sobre desinfeccin, para remover huevos de parsitos se necesitaran aplicar dosis altsimas y disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de parsitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no ms de 2 UNT puede producir un efluente exento de huevos de parsitos. Las altas tasas con las que operan estos sistemas, as como el empleo de la coagulacin (proceso cuya operacin requiere sumo cuidado), demandan recursos

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humanos capacitados, por lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas econmicamente muy deprimidas. En los casos en que las caractersticas del agua cruda o el terreno disponible para construir la planta obliguen a adoptar este tipo de sistema, se debern desarrollar las condiciones locales necesarias para asegurar una buena eficiencia en calidad y cantidad. En el cuadro 3-1 se indican los rangos de calidad del agua en los que puede considerarse esta alternativa de tratamiento.Cuadro 3-1. Lmites de calidad del agua aceptables para el tratamiento mediante filtracin rpida completa (1) Parmetros Turbiedad (UNT) 90% del tiempo < 1.000 80% del tiempo < 800 Espordicamente < 1.500; si excede, considerar presedimentacin Si excede de 600, se debe considerar predesinfeccin

Color (UC) NMP de coliformes termotolerantes/100 mL

< 150 < 600

< 70

Filtracin directa

Es una alternativa a la filtracin rpida, constituida por los procesos de mezcla rpida y filtracin, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de solucin las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de abastecimiento es confiable caso de una cuenca virgen o bien protegida, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtracin directa descendente.

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Cuando el agua viene directamente del ro y aunque clara la mayor parte del ao, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculacin corta, generalmente de no ms de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtracin ms cortas. Esta es la alternativa ms restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan espordicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podran ser tratadas mediante filtracin directa ascendente. La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtracin directa ascendentedescendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan espordicamente ms de 400 UNT y 100 UC. El cuadro 3-2 sintetiza los rangos de calidad de agua ptimos para cada alternativa de tratamiento mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la fuente, para estar bien seguros de su comportamiento estacional, sobre todo durante los ciclos lluviosos.Cuadro 3-2. Lmites de calidad del agua para plantas de filtracin directa (1) Alternativa ParmetrosTurbiedad (UNT) Filtracin directa descendente Color verdadero (UC) NMP de coliformes totales/100 mL Concentracin de algas (unidades/mL) Filtracin directa ascendente Filtracin directa ascendente descendente Turbiedad (UNT) Color (UC) Turbiedad (UNT) Color (UC) < 2.500 < 200 < 100 < 60 < 250 < 60 < 150 < 50 < 200 < 100 < 400 < 100

90% del 80% del Espordicamente tiempo tiempo25 - 30 < 25