La coagulación, la floculación, la clarificación y la flotación por aire disuelto son operaciones fundamentales para separar sólidos suspendidos, partículas coloidales, grasas, aceites, hidrocarburos y otros contaminantes presentes en el agua.
La clarificación de aguas residuales industriales es una etapa clave en el tratamiento de efluentes. La separación sólido-líquido es el punto central de la clarificación. En muchos casos, los sólidos no sedimentan por sí solos o lo hacen de forma muy lenta.
El tratamiento de agua en la antigüedad se enfocaba en mejorar el aspecto con métodos como filtración sobre carbón, exposición a la luz solar, hirviéndola y tamizándola. Los primeros tratamientos químicos se remontan al antiguo Egipto (1.500 A.C) cuando se encontró que el alumbre hacía que las partículas suspendidas sedimentaran.
Solo hasta finales del siglo XIX se descubrió que la turbidez no era solo un problema estético. Como resultado, se centró el diseño de los sistemas de tratamiento de agua en la reducción de la turbidez y de esta manera remover microbios.
A pesar de todos los avances y tecnologías desarrolladas alrededor del tratamiento del agua la remoción de los sólidos suspendidos, turbidez y diferentes contaminantes con productos químicos continúa siendo una de las principales herramientas disponibles para múltiples propósitos como la potabilización del agua, el tratamiento de aguas residuales y el espesado de lodos entre otros.
Qué son la coagulación, la floculación y la clarificación
Los productos químicos usados en estas operaciones se pueden clasificar, de manera general, en coagulantes y floculantes.
Los primeros tienen la función de facilitar que se agrupen las partículas coloidales que por su tamaño no sedimentan rápidamente, y los segundos la función de amarrar o unir las partículas de mayor tamaño o los grupos de partículas coloidales desestabilizadas previamente para removerlos fácilmente del agua.
La coagulación desestabiliza partículas finas y coloides. En esta etapa, el coagulante modifica las condiciones que mantienen separadas a las partículas, favoreciendo su agrupación inicial.
En la separación sólido-líquido, los floculantes tienen un papel crítico. Se trata de polímeros diseñados para agrupar partículas finas en estructuras de mayor tamaño.
Los procesos de coagulación y floculación pueden llevarse a cabo independientemente o de manera combinada en el proceso de clarificación.
La clarificación de aguas residuales industriales es el proceso mediante el cual se eliminan partículas sólidas y coloidales presentes en el agua.
La separación sólido-líquido no depende únicamente de añadir más producto químico. Para mejorar la clarificación de aguas residuales industriales es necesario controlar varias variables al mismo tiempo.
Principios de interacción de las partículas coloidales
En la selección de un programa químico de tratamiento de aguas residuales, para lograr una coagulación y floculación efectiva es fundamental una comprensión de cómo los coloides interactúan individualmente.
El comportamiento de los coloides en el agua es fuertemente influenciado por su carga electrocinética, donde cada partícula coloidal lleva una carga propia, la cual en su naturaleza es usualmente negativa.
El mezclado instantáneo, intenso y rápido, es crítico para bajar la carga superficial de las partículas coloidales.
Después de la desestabilización, las partículas pueden unirse mediante una mezcla controlada. La floculación, en cambio, requiere una mezcla más suave.
Si la agitación es insuficiente, los flóculos no se forman correctamente. Una agitación excesiva puede deteriorar las estructuras formadas y dificultar su posterior separación.
Coagulantes utilizados en el tratamiento de agua
Dentro de los coagulantes los más usados son las sales inorgánicas a base de hierro y aluminio, generalmente los coagulantes inorgánicos ofrecen los menores precios por kilogramo, están ampliamente disponibles y si se aplican de manera correcta son eficientes en la remoción de los sólidos suspendidos.
Adicionalmente permiten la remoción de compuestos orgánicos del agua que puede combinarse posteriormente con el cloro en la etapa de la desinfección.
El sulfato de aluminio, el sulfato y el cloruro férricos disminuyen el pH, por lo que hidroxicloruro de aluminio (HCA) y los polímeros inorgánicos son cada vez más ampliamente usados.
Adicionalmente se encuentran coagulantes orgánicos que pueden ser usados como ayudantes de coagulación.
Los ayudantes aniónicos son usados generalmente con coagulantes metálicos y los ayudantes catiónicos de bajo y medio peso molecular pueden ser usados por si solos o con coagulantes férricos para atraer sólidos suspendidos y neutralizar sus cargas.
Los fabricantes pueden ofrecer una amplia variedad de polímeros que se ajustan a la calidad del agua controlando la cantidad y tipo de cargas, y el peso molecular.
Los polímeros funcionan en rangos de pH más amplios que los coagulantes inorgánicos. Y pueden ser usados en dosis bajas produciendo menores volúmenes de lodos de mayor densidad y velocidad de sedimentación.
Aunque los coagulantes orgánicos son varias veces más costosos por peso que los inorgánicos, su uso puede reducir el costo global del tratamiento por metro cúbico de agua.
Floculantes y mecanismos de formación del flóculo
Dentro de los floculantes se encuentran polímeros orgánicos, principalmente poliacrilamidas (PAM), lineales o ramificados de diferentes pesos moleculares, con diferentes niveles de carga positivas (catiónicos), negativa (Aniónicos) o neutras (No iónicos).
Los polímeros, que son cadenas largas de alto peso molecular y alta carga, cuando se añaden al agua comienzan a hacer largas cadenas, lo que permite remover numerosas partículas de materia suspendida mediante un proceso de flotación.
La selección y dosis de un floculante depende de la concentración de los sólidos en estado coloidal o materia en suspensión, así como de su naturaleza, salinidad del agua y pH.
El punto donde se añade el producto puede condicionar todo el proceso. Una dosificación demasiado lejos del equipo puede provocar pérdida de eficacia o rotura del flóculo.
La preparación del floculante es otro factor crítico. En el caso de los polímeros en polvo, es necesario garantizar una correcta dispersión, hidratación y maduración.
Aumentar la dosis no siempre mejora la clarificación. La dosis óptima debe definirse mediante ensayos de laboratorio y validarse posteriormente en planta.
La innovación en polímeros ha permitido desarrollar soluciones cada vez más eficientes para la clarificación de aguas residuales industriales. La tecnología HIMOLOC de Derypol se basa en floculantes líquidos en dispersión acuosa.
En determinados efluentes, la combinación de diferentes mecanismos de actuación puede aportar ventajas adicionales.
Factores que determinan el rendimiento de la clarificación
El éxito de los procesos de coagulación, floculación o clarificación depende factores inherentes al diseño de la planta como el tiempo de contacto, la velocidad de flujo y la correcta selección de los productos químicos.
La elección del producto es uno de los puntos más importantes. El pH influye directamente en la estabilidad de las partículas, en la acción del coagulante y en el rendimiento del floculante.
Además del pH, conviene analizar otros parámetros como sólidos en suspensión, DQO, conductividad, aceites y grasas, alcalinidad, temperatura y variabilidad del efluente.
La mezcla es determinante en la clarificación. La intensidad de mezclado, el tiempo de retención en la zona de mezclado rápido y en la zona de floculación, y el tamaño de los flóculos son los parámetros fundamentales en el desarrollo del sistema de flotación.
El tipo y la cantidad de agente químico a dosificar también deben ajustarse a las características del agua y a las condiciones hidráulicas del equipo.
| Variable | Importancia en el proceso |
|---|---|
| pH | Influye en la estabilidad de las partículas, en la acción del coagulante y en el rendimiento del floculante. |
| Sólidos en suspensión | Determinan la concentración de materia que debe aglomerarse y separarse. |
| DQO | Permite valorar la carga orgánica del efluente. |
| Conductividad y salinidad | Condicionan la selección y dosis del floculante. |
| Aceites y grasas | Son contaminantes que pueden separarse eficazmente mediante flotación. |
| Temperatura | Puede modificar la velocidad ascensional y el comportamiento de la floculación. |
| Tiempo de contacto | Debe permitir la desestabilización y formación adecuada de los flóculos. |
| Velocidad de flujo | Influye en la mezcla, la retención y la separación de los sólidos. |
Flotación por aire disuelto: definición y funcionamiento
La flotación por aire disuelto es un proceso físico-químico utilizado para separar partículas suspendidas y materiales insolubles del agua.
La flotación por aire disuelto (DAF) se basa en un proceso fisicoquímico que separa las partículas sólidas y líquidas mediante la adición de burbujas de aire muy pequeñas.
Estas burbujas se adhieren a las partículas sólidas y les proporcionan una alta velocidad de ascenso.
Los sistemas de flotación por aire disuelto (DAF) separan los sólidos, las grasas y aceites presentes en el agua, generando unos lodos altamente concentrados.
Los sistemas DAF están especialmente diseñados para tratar aguas residuales que contienen sólidos que no flotan y que necesitan una gran área superficial para su flotación y separación.
Etapas principales del proceso DAF
- Aireación: Se introduce aire comprimido en el agua a través de difusores o inyectores, creando pequeñas burbujas de aire.
- Formación de flóculos: Los coagulantes y floculantes pueden ser añadidos al agua para promover la aglomeración de partículas suspendidas en flóculos más grandes.
- Flotación: Las burbujas de aire se adhieren a los flóculos formados y los hacen flotar hacia la superficie del agua en forma de fango.
- Separación y limpieza: El fango recolectado se separa del agua tratada y se lleva a un sistema de deshidratación o desagüe para su disposición final.
Una vez en la superficie, los sólidos, el lodo, se extraen mecánicamente hacia la tolva.
Finalmente, en la superficie de la unidad de flotación, un sistema de raspado lleva los lodos generados hacia la tolva fpara recogerlos, mientras que el agua clarificada se descarga en un canal de desagüe en el lado opuesto.
Recirculación, presurización y generación de microburbujas
Una bomba de recirculación redirige parte del agua clarificada a la salida de la unidad DAF, donde se encuentra un sistema de presurización/saturación.
El agua recirculada es presurizada por la bomba hasta aproximadamente 6 bares y mezclada con aire presurizado.
Las micro burbujas de aire disuelto permiten la eliminación de sólidos y flóculos que no poseen suficiente flotabilidad.
Las burbujas son de entre 30-50 micras de diámetro, dimensiones esenciales para que la flotación sea eficiente.
Esta mezcla de agua y burbujas es homogéneamente distribuida en el compartimento de entrada a la unidad DAF bajo condiciones de régimen laminar.
Después de la separación sólido-líquido, una parte del agua tratada, aproximadamente el 30%, se recircula para ser mezclada con agua residual.
Un sistema de inyección desarrollado distribuye la presión del agua saturada en la unidad de flotación.
El agua clarificada abandona la unidad DAF mediante un sistema ajustable de sobrenadante.
Integración de coagulación y floculación en un sistema DAF
El agua residual se bombea constantemente al tubo floculador ,un tubo en forma de zigzag que facilita la mezcla del agua con los reactivos químicos.
Allí se añade el coagulante. Este producto químico puede desestabilizar partículas suspendidas o coloides para facilitar la posterior separación sólido-líquido.
Luego, en el mismo tubo, se añade el floculante. Este es un polímero con carga opuesta para atraer a los flóculos o coloides más pequeños y formar flóculos más grandes.
El flotador por aire disuelto cuenta con tubo floculador donde se prepara la reacción de coagulantes y floculantes que van a favorecer el proceso de depuración.
Cuando a la Flotación por Aire Disuelto le precede un tratamiento de Coagulación-Floculación el rendimiento en la separación de la materia sólida en suspensión es mucho mayor, pudiéndose llegar sin ningún problema a una eliminación del 95%; consiguiendo una reducción de la DBO5 del orden al menos del 40%.
Aplicaciones de la flotación por aire disuelto
La flotación por aire disuelto es uno de los procesos más importantes y efectivos en el tratamiento de todo tipo de agua, tanto en el tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas, como en el procesamiento de agua, la reutilización del agua y los procesos de desalinización.
La flotación por aire disuelto es una tecnología versátil y eficiente para el tratamiento de aguas residuales en diversas industrias y aplicaciones.
Su capacidad para eliminar eficazmente sólidos suspendidos, grasas, aceites y otros contaminantes la convierte en una opción atractiva para mejorar la calidad del agua y proteger el medio ambiente.
En varias ocasiones, el sistema de flotación por aire disuelto se instala al principio del proceso de tratamiento de agua, inmediatamente después del pretratamiento para eliminar grasa y aceite.
También puede implantarse en la entrada del tratamiento biológico para reducir la carga contaminante.
En muchas otras ocasiones, se coloca al final de la línea de tratamiento de agua para aclarar el agua antes de ser descargada.
En la desalinización, donde el desarrollo del fibra de vidrio está comenzando a consolidarse como material de construcción, también trabaja para proteger las membranas de la presencia de algas en el agua.
Además, puede instalarse en la parte superior de la línea de tratamiento de lodos como espesante de lodos para reducir el volumen.
Aguas residuales industriales oleosas
Es habitual que las aguas residuales industriales presenten un contenido importante de sólidos en suspensión, así como materia orgánica no disuelta y proteínas.
Los procesos de flotación por aire disuelto (DAF) han sido probados con eficacia para remover hidrocarburos y materia suspendida en una gran variedad de aguas residuales, incluyendo las que originan las actividades de producción y refinación de petróleo.
Los sistemas DAF utilizan los coagulantes normalmente empleados en los sedimentadores por gravedad.
Se considera que las moléculas orgánicas con alto peso molecular (104) son removidas con hierro o aluminio, si se emplea el pH y dosis óptima.
En estos sistemas, el flujo de residual o una porción del efluente clarificado se presuriza en presencia de suficiente aire para alcanzar la saturación y la mezcla aire - líquido se libera a presión atmosférica en la cámara de flotación, donde las diminutas burbujas de aire se unen a los glóbulos de hidrocarburos y los hacen flotar, permitiendo su remoción.
A menudo este tipo de industrias generan efluentes corrosivos que gracias a la Fibra de vidrio, el material en el que los DAF Anaconda® están fabricados, lo soportan con total garantía.
Estos equipos pueden ser contenerizados, convirtiéndose en verdaderos edificios técnicos que disponen de aislamiento, suelo en PRFV, ventilación, climatización, iluminación, accesos y salidas de emergencia.
Selección de productos químicos mediante pruebas de laboratorio
La selección y dosis de un floculante depende de la concentración de los sólidos en estado coloidal o materia en suspensión, así como de su naturaleza, salinidad del agua y pH.
Las muestras representativas diarias procedentes de la salida de los separadores API con un volumen mínimo de 50 litros, sobre la cual se llevaron a cabo los tratamientos a escala de laboratorio fueron suministradas por la refinería.
El volumen final se preparó incorporando 5.6 mL de agua procedente de la corriente de efluentes sulfurosos-alcalinos por cada 1000 mL de agua de salida de separadores.
Las muestras fueron homogeneizadas aplicando una agitación a velocidad de 150 rpm durante 5 minutos, previo a los ensayos de proceso y caracterizadas según métodos standards.
Equipo de flotación por aire disuelto de fabricación japonesa para la realización de los ensayos correspondientes.
A partir de un estudio previo de pruebas de Jarras con cuatro coagulantes y cinco floculantes, 12 se seleccionaron el par coagulante/floculante policloruro de aluminio (PAC 18%)/ CS 610 y el par coagulante/floculante sulfato de aluminio/ CS 610 como los sistemas químicos más adecuados para la evaluación del proceso de flotación por aire disuelto.
Para los ajustes de pH se utilizó H2SO4 concentrado al 98%. El consumo promedio obtenido fue de 0.25 mL/ L de agua residual.
Se tomaron lecturas de las condiciones ambientales y experimentales en las que se desarrollaron las pruebas de los parámetros siguientes: temperatura ambiente, humedad relativa y presión barométrica en el laboratorio, con equipo SKYWATCH GEOS11 (Suiza) y temperatura de los fluidos durante las pruebas.
Las pruebas se realizaron según se describen en el Protocolo P-2014-078 REV: 03, de acuerdo a metodología diseñada previamente con el proyectista.
Resultados de la evaluación de coagulantes y floculantes
Se determinaron las características del agua tratada para los pares seleccionados coagulante/floculante, PAC 18%/ CS 610 y sulfato de aluminio/ CS 610 aplicando flotación por aire disuelto (DAF) para la separación del flóculo.
Se evaluaron a pH 7.5 y 8.0 ambos pares.
Los mejores resultados correspondieron al PAC 18% a pH 8.0 y al sulfato de aluminio a pH 7.5, ambos con CS 610 como floculante, lo que se refleja en los elevados porcientos de remoción alcanzados para los sólidos suspendidos, la turbidez y los hidrocarburos.
| Sistema químico | pH evaluado | Floculante |
|---|---|---|
| PAC 18% | 8.0 | CS 610 |
| Sulfato de aluminio | 7.5 | CS 610 |
Se realizaron dos corridas con el sistema de reacción seleccionado, el par coagulante/floculante PAC 18%/ CS 610 a pH 8.0, aplicando flotación por aire disuelto (DAF) para la separación del flóculo.
Parámetros operacionales del sistema DAF
Para la determinación de la presión de operación y la relación A/X óptima se realizaron corridas en el equipo DAF a temperatura ambiente del agua residual, empleando una tasa de recirculación de 33%.
La figura 3 nos muestra que la relación A/X óptima fue de 0.095-0.143 mL de aire/mg de sólidos suspendidos + hidrocarburos, con la cual se obtuvo resultados satisfactorios de remoción.
En las figuras 4 y 5 se dan las curvas de regresión ajustadas para la presión de operación y la relación A/X, obteniendo coeficientes de correlación significativos con un 95% de confiabilidad para ambos parámetros.
Las tablas 2 y 3 muestran las respectivas estadísticas de la regresión.
En la figura 6 se aprecia que la recirculación óptima fue de 30%, aunque con todas las proporciones ensayadas se obtuvieron resultados altamente satisfactorios en la remoción de sólidos suspendidos (< 5.0 mg/L).
Para la presión de operación y el % de recirculación óptimo a la temperatura media del proceso se obtuvo un tiempo de reacción óptimo de 20 minutos y la cinética de la reacción sigue el comportamiento de una ecuación de un polinomio de orden 2, según se observa en la figura 8.
La remoción de sólidos suspendidos alcanzada estuvo entre 82-85%.
| Parámetro | Valor obtenido |
|---|---|
| Tasa de recirculación empleada en las pruebas | 33% |
| Recirculación óptima | 30% |
| Relación A/X óptima | 0.095-0.143 mL de aire/mg de sólidos suspendidos + hidrocarburos |
| Tiempo de reacción óptimo | 20 minutos |
| Remoción de sólidos suspendidos en la etapa de evaluación | 82-85% |
| Remoción de sólidos suspendidos en las proporciones ensayadas | < 5.0 mg/L |
Velocidad ascensional y efecto de la temperatura
Se realizaron tres corridas en equipo DAF operando a las condiciones elegidas de presión, A/X, % de recirculación y tiempo de reacción, para determinar la velocidad ascensional de los sólidos.
Los gráficos de la figura 9 (a, b, c) muestran las curvas de longitud ascensional vs tiempo de ascensión a la temperatura media del agua residual para determinar la velocidad ascensional en la floculación.
La velocidad ascensional promedio obtenida de las tres corridas efectuadas fue de 0.86 mm/s.
Los valores obtenidos en las tres corridas no difieren en más de un 9% del valor medio encontrado.
Se realizaron seis corridas en equipo DAF operando a las condiciones elegidas de presión, A/X, % de recirculación y tiempo de reacción, para determinar la velocidad ascensional de los sólidos.
Los gráficos de la figura 11 muestran las curvas de velocidad ascensional vs tiempo de ascensión a las temperaturas mínima (13 0C) y máxima (31 0C) del agua residual para determinar la velocidad ascensional en la floculación.
| Condición de temperatura | Velocidad ascensional promedio |
|---|---|
| Temperatura media del proceso | 0.86 mm/s |
| Temperatura mínima (13 0C) | 0.84 mm/s |
| Temperatura máxima (31 0C) | 0.60 mm/s |
La velocidad ascensional promedio obtenida de las tres corridas efectuadas a la temperatura mínima (13 0C) fue de 0.84 mm/s, la cual coincide con la encontrada en las corridas a la temperatura media.
La velocidad ascensional promedio obtenida de las tres corridas efectuadas a la temperatura máxima (31 0C) fue de 0.60 mm/s.
Para la temperatura media de proceso se realizaron tres pruebas de flotación final con los parámetros operacionales óptimos seleccionados (presión, A/X, % de recirculación, tiempo de retención) y sobre el agua clarificada se determinaron los parámetros fundamentales.
Rendimientos de eliminación obtenidos
Se obtuvo una remoción de 93.88% para sólidos suspendidos, 95.35% para hidrocarburos y 98.21% para turbidez.
| Contaminante o parámetro | Remoción obtenida |
|---|---|
| Sólidos suspendidos | 93.88% |
| Hidrocarburos | 95.35% |
| Turbidez | 98.21% |
Los resultados alcanzados en las corridas se muestran en la tabla 4.
Los parámetros de calidad del agua clarificada a las temperaturas mínima y máxima después de aplicar el tratamiento de flotación por aire disuelto se muestran en la tabla 5 y se puede observar que los resultados obtenidos son satisfactorios para cumplir los requerimientos de vertimiento.
Los sistemas DAF ofrecen un rendimiento de eliminación de más del 90%.
Ventajas de combinar coagulación, floculación y DAF
- Mayor eficiencia del proceso: Una buena coagulación y floculación mejora la eliminación de sólidos en suspensión y reduce la turbidez del agua tratada.
- Reducción de costes operativos: La selección correcta del producto y de la dosis ayuda a reducir consumos innecesarios de reactivos.
- Mejor gestión de lodos: Una floculación eficiente genera lodos más compactos y fáciles de separar.
- Mayor estabilidad de planta: Cuando el tratamiento está bien ajustado, el sistema responde mejor ante variaciones de caudal o carga contaminante.
La flotación por aire disuelto es una tecnología versátil y eficiente para el tratamiento de aguas residuales en diversas industrias y aplicaciones.
Cuando a la Flotación por Aire Disuelto le precede un tratamiento de Coagulación-Floculación el rendimiento en la separación de la materia sólida en suspensión es mucho mayor, pudiéndose llegar sin ningún problema a una eliminación del 95%; consiguiendo una reducción de la DBO5 del orden al menos del 40%.
Configuración y adaptabilidad de los equipos DAF
Adaptabilidad del equipo DAF y de los sistemas de coagulación-floculación y ajuste de pH.
En SIGMADAF contamos con diferentes modelos de sistemas DAF.
Los DAF FPAC son equipos ideales para el tratamiento de caudales pequeños o medianos con muy elevadas cargas de sólidos en suspensión, que requieren de una superficie de flotación grande para asegurar una buena flotación y separación de los sólidos.
La solución propuesta al problema ha sido la instalación de un sistema de flotación por aire disuelto con el objetivo de llevar a acabo la separación de aceites y grasas de las aguas.
El objetivo: Conseguir mejor calidad de aguas en salida del tratamiento biológico.
Estos equipos pueden ser contenerizados, convirtiéndose en verdaderos edificios técnicos que disponen de aislamiento, suelo en PRFV, ventilación, climatización, iluminación, accesos y salidas de emergencia.
¿Cómo funciona un sistema DAF? Proyecto llave en mano en Ciudad Juárez
Aplicaciones industriales de la clarificación
La clarificación de aguas residuales industriales es esencial en numerosos sectores.
Normalmente se utilizan coagulantes, floculantes o una combinación de ambos.
La capacidad del DAF para eliminar eficazmente sólidos suspendidos, grasas, aceites y otros contaminantes permite utilizarlo en líneas de tratamiento industriales, municipales y de reutilización del agua.
Los sistemas DAF son equipos de separación de partículas sólidas, grasas y aceites, diseñados para clarificar aguas residuales (industriales y municipales).
La solución química y la configuración hidráulica deben ajustarse a cada efluente, porque no todos los efluentes industriales responden igual al tratamiento.
Por ello, una solución que funciona en una muestra puntual puede no ser suficiente en condiciones reales de planta.
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