1 optimización del proceso de floculación en plantas que operan

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FLOCULACIÓN EN PLANTAS QUE OPERAN
CON GRADIENTES DE VELOCIDAD ESCALONADOS
Danilo Ríos (*)
Ingeniero Civil Op. Hidráulica y Sanitaria por la Universidad de la República Oriental del
Uruguay (UdelaR). Ingeniero de la Administración de las Obras Sanitarias del Estado
(OSE): Sub Gerente de Producción de la Región Metropolitana. Profesor Adjunto del Dpto.
de Ingeniería Ambiental del Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de
la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Julieta López
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Cecilia Gómez
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Giuliana Broggi
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Armando Lanfranconi
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Daniela Plottier
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UdelaR.
Dirección: Julio Herrera y Reissig 565 – Parque Rodó – Montevideo – CP 11300 – Uruguay
Tel: 598 (2) 7115278 int 131 - Fax: 598 (2) 7115277. e-mail: drios@fing.edu.uy
RESUMEN
Un diseño clásico de plantas potabilizadoras suele incluir floculadores mecánicos que operan con gradientes de
velocidad escalonados, especialmente si el proyecto está basado en estudios de floculación efectuados con equipos
de jarras. Existen metodologías ampliamente conocidas que permiten seleccionar a nivel de laboratorio la secuencia
de gradientes de velocidad que produce los mejores resultados, utilizando como parámetro la turbiedad del agua
sedimentada.
Este tipo de plantas ofrece la posibilidad de variar la velocidad de rotación para optimizar el gradiente de velocidad,
ya que generalmente se las equipa con variadores de frecuencia.
El trabajo consiste en evaluar el efecto sobre los resultados a escala real, al operar un floculador con gradientes de
velocidad diferentes en sus distintas etapas.
Palabras Clave (en negritas): Gradiente de velocidad, floculación, equipo de jarras, floculador mecánico.
INTRODUCCION
Durante la operación de una planta potabilizadora, se cuenta con pocas variables que permitan optimizar su
rendimiento, que no se encuentren incluidas dentro del sistema de dosificación de productos químicos, en donde la
aplicación de procedimientos de optimización tiene un alto grado de incidencia en los resultados. De hecho, en una
planta que cuente únicamente con floculadores hidráulicos en general no existen elementos que puedan variarse de
modo de generar cambios en los procesos unitarios; solamente una dosificación más eficiente y efectiva, y los
adecuados procedimientos de lavado de filtros y purga de sedimentadores se verán reflejados en un producto final de
calidad adecuada.
1
No obstante, el hecho de contar con un floculador mecánico permite controlar la variable quizás más importante
manejada por los diseñadores de plantas, como lo es el gradiente medio de velocidad “G”. Para el diseño de un
floculador mecánico, se debe considerar que una variación de ese parámetro puede permitir optimizar el proceso, en
función de las características particulares de la fuente de agua bruta, especialmente si la misma es de calidad
variable como sucede en la mayoría de las fuentes superficiales.
Para evaluar el efecto del gradiente de velocidad sobre la turbiedad del agua sedimentada a escala real, se realizaron
trabajos de campo en plantas potabilizadoras de 15 m3/h instaladas en las localidades de Tala y Paso Severino,
equipadas con dos floculadores, el primero de ellos mecánico de velocidad variable, y el segundo hidráulico de flujo
vertical y escaso tiempo de retención.
Las tareas de campo consistieron en operar las plantas potabilizadoras con diferentes combinaciones del gradiente
de velocidad en las etapas de floculación mecánica, evaluando los resultados a través de la medición de turbiedad
del agua sedimentada y filtrada.
OBJETIVOS
El objetivo del trabajo es lograr optimizar la operación de un floculador mecánico seleccionando la secuencia de
valores del gradiente de velocidad que produce mejores resultados sobre la turbiedad del agua sedimentada y
filtrada, para diferentes calidades de agua bruta. A partir de los resultados observados a escala real se planteó, como
objetivo principal, evaluar el “peso” que tienen las distintas etapas del proceso sobre los resultados.
METODOLOGIA
Los trabajos se realizaron en el marco del Convenio entre OSE y la UdelaR para la evaluación de unidades
potabilizadoras autónomas UPA. Los ensayos se hicieron sobre plantas UPA 200, de capacidad nominal 15 m3/h,
instaladas en las localidades de Tala y Paso Severino, las cuales se encuentran equipadas con dos floculadores, el
primero de ellos mecánico de flujo radial y velocidad variable, y el segundo hidráulico de chicanas de flujo vertical.
Los ensayos se realizaron a lo largo de salidas de campo en diferentes días a las localidades de Tala y Paso Severino,
lo cual permitió operar las plantas con diferentes características del agua bruta. Todos los ensayos fueron realizados
dosificando exclusivamente sulfato de aluminio, sin el uso de coagulantes ni floculantes auxiliares.
En la localidad de Tala se monitoreó una planta (UPA 1) mientras que en la localidad de Paso Severino se
monitorearon dos plantas (UPA A y UPA B).
Los ensayos realizados en esta primera etapa consistieron en los siguientes pasos:
- Fijar el caudal afluente a la planta y el gradiente de velocidad en el floculador mecánico, en valores
predeterminados.
- Aplicar la dosis óptima de sulfato de aluminio, previamente determinada a partir de un ensayo de jarras.
- A intervalos de 30 minutos (y en algunos casos 15 minutos) medir la turbiedad del agua bruta, sedimentada y
filtrada, además de la alcalinidad y el pH del agua bruta y coagulada (para verificar las condiciones de coagulación).
- Periódicamente realizar descargas de lodos.
- Una vez estabilizados los valores de turbiedad del agua sedimentada, para un determinado gradiente de velocidad
en el floculador mecánico, modificar dicho gradiente y repetir el procedimiento.
Los valores de caudal (Q) y gradiente de velocidad en el floculador mecánico (G) utilizados durante los monitoreos
para la UPA 1 de Tala y para las UPAs A y B de Paso Severino se presentan en la tabla 1.
2
TABLA 1: Valores de Q y G utilizados durante los
monitoreos.
Fecha
Q(m3/h)
G (s-1)
UPA 1
04/05/00
12.2
6.8
32.5
05/05/00
12.1
94
60.1
23.8
07/06/00
15.4
11.8
38.8
08/06/00
15
39.3
70.8
12
5/10/00
8
5.8
44.2
06/10/00
7.8
43
73.4
5.6
23/11/00
11.4
5.5
72.1
44.25
UPA A
20/02/01
12
10
60.2
21/02/01
12
39.7
UPA B
20/02/01
12.5
30
80.2
21/02/01
12
39.7
Con el objetivo de determinar la influencia del gradiente de velocidad se compararon estadísticamente los valores de
turbiedad de agua sedimentada, obtenidos durante los trabajos de campo, para los distintos gradientes de velocidad
aplicados en la primer etapa de floculación. En la segunda etapa de floculación el gradiente de velocidad queda
determinado por el caudal tratado, situándose entre 3 y 6 s-1 para caudales entre 8 y 15 m3/h.
De modo de seleccionar el test estadístico a utilizar se procedió, en primer lugar, a determinar si los conjuntos de
valores de turbiedad sedimentada correspondientes a cada gradiente de velocidad, pertenecían o no a una población
normal. Así, se aplicó el test de D’Agostino para estudiar normalidad de las muestras.
La aplicación de dicho test requiere que el conjunto tenga diez datos como mínimo, por lo que se aplicó el test a los
gradientes de velocidad para los cuales se contaba con más de diez datos de turbiedad de agua sedimentada (en total
se aplicó a 4 grupos de valores), y luego se extendió el resultado obtenido a todos los conjuntos de datos. Esta
extensión puede considerarse válida ya que todos los ensayos fueron realizados con la misma metodología, y las
muestras fueron extraídas a iguales intervalos de tiempo (15 o 30 minutos).
Dado que los resultados del estudio mostraron que los valores pueden considerarse normales, se eligió el test 1Factorial para analizar la influencia del gradiente de velocidad en la turbiedad del agua sedimentada. Para aplicar el
test, las muestras deben ser aleatorias, de poblaciones normales con varianzas homogéneas y el conjunto de
observaciones debe ser independiente. Se verificó que se cumplieran estos requisitos previamente a aplicar el test.
3
La hipótesis nula (Ho) considerada para el test 1-Factorial fue que la turbiedad del agua sedimentada es
independiente del gradiente de velocidad aplicado en el floculador mecánico. Esto equivaldría a afirmar que con los
distintos gradientes de velocidad aplicados se obtienen resultados homogéneos de turbiedad de agua sedimentada.
En todos los casos, el nivel de significación de la prueba fue del 5%, lo que implica que hay una probabilidad del
5% de rechazar la hipótesis nula, siendo ésta cierta.
Se analizaron los datos obtenidos para cada día en forma separada, ya que los resultados para un día y otro, pueden
verse afectados por distintos factores o parámetros del agua bruta que no fueron medidos (como la presencia de
algas).
Por otro lado, se realizaron ensayos de jarras buscando representar la secuencia de gradientes de velocidad con que
se operó la planta. Así, se aplicaron dos velocidades de agitación sucesivas: la primera variable (representando la
etapa de floculación variable) y la segunda fija (simulando la etapa de floculación hidráulica, que opera a gradiente
de velocidad constante para un determinado caudal). Los resultados obtenidos se compararon con ensayos de jarras
realizados aplicando un solo valor de gradiente de velocidad.
RESULTADOS
El test 1-Factorial aplicado a los valores de turbiedad del agua sedimentada obtenidos en los monitoreos arrojó dos
clases de resultados distintos, es decir que aceptó la hipótesis nula en algunos casos y la rechazó en otros.
A modo de ejemplo, en la figura 1 se presentan los valores de turbiedad del agua sedimentada obtenidos para la
UPA A en el monitoreo realizado el 20/02/01 y en la figura 2 los obtenidos para la UPA 1 en el día 23/11/00. En el
primer caso el test aplicado dio como resultado que la turbiedad del agua sedimentada es independiente del
gradiente de velocidad aplicado en el floculador mecánico, mientras que en el segundo caso el test rechazó la
hipótesis de independencia. En dichas figuras se representan en distinto formato los valores de turbiedad del agua
sedimentada correspondientes a diferentes gradientes de velocidad aplicados en el floculador mecánico.
UPA A - 20/02/01
Q=12m 3/h
12
turbiedad (NTU)
10
8
6
4
2
0
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
hora
agua bruta
agua sedimentada para G=10s-1
agua sedimentada para G=60.2s-1
Figura 1: Valores de turbiedad obtenidos para la UPA A durante el
monitoreo del 20/02/01.
4
UPA 1 - 23/11/00
Q=11.5m 3/h
25
turbiedad (NTU)
20
15
10
5
0
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
hora
agua bruta
agua sedimentada para G=5.5s-1
agua sediemntada para G=72.1s-1
Figura 2: Valores de turbiedad obtenidos para la UPA 1 durante el
monitoreo del 23/11/00.
En la tabla 2, se presentan los resultados obtenidos al realizar el tratamiento estadístico de los datos correspondientes
a todos los monitoreos realizados.
TABLA 2: Resultados de todos los monitoreos realizados.
Agua bruta
Localidad UPA
Fecha
Dosis
Sulfato (mg/l)
Turb.(NTU) Alc.(mg/l)
pH
Tala
UPA 1 4/05/00
90,2 - 93
62 - 66 6,9 - 7,1
80 - 96
5/05/00 95,4 - 216
46 - 98 6,9 - 7,5
86 - 124
Tala
UPA 1 7/06/00 28,5 - 29,9 168 - 176 7,1 - 7,4
80 - 128
8/06/00 25,5 - 27,2 172 - 182 7,3 - 7,5
80 - 104
Tala
UPA 1 5/10/00 32,6 - 36,6 192 - 204 7,5 - 7,8
80 - 104
6/10/00 27,3 - 34,5 192 - 202 7,2 - 7,8
88 - 120
Tala
UPA 1 23/11/00 18,6 - 20,7 194 - 220 7,8 - 8,1
96 - 124
P.Severino UPA A 20/02/01 8,2 - 11,2
80 - 84 7,7 - 8,3
72 - 100
P.Severino UPA B 20/02/01 8,2 - 11,2
80 - 84 7,7 - 8,3
72 - 100
Gaplicado
Depende
(s-1)
de G
7
33
SI
24 60 94
NO
12 39
NO
12 39 71
NO
6
44
SI
6
43 74
SI
6
44 72
SI
10
60
NO
10
60
NO
En algunos casos, se obtuvo como resultado que no puede afirmarse que la turbiedad del agua sedimentada y el
gradiente de velocidad del floculador mecánico fueran independientes (días 04/05/00, 05/10/00, 06/10/00 y
23/11/00). Pero en el resto de los días estudiados, el test aplicado mostró independencia entre ambas variables.
De esto surge que no puede afirmarse que exista una dependencia directa entre el valor del gradiente de velocidad
aplicado en la primer etapa de floculación y la turbiedad del agua sedimentada.
Esto puede explicarse por dos motivos. En primer lugar existen otros parámetros que influyen en mayor proporción
sobre la calidad del agua obtenida, como ser el caudal tratado en la planta y la dosis de sulfato de aluminio aplicada.
Pudo observarse que pequeñas variaciones en estos parámetros influyen rápidamente en la turbiedad obtenida, en
forma más cuantificable que las variaciones detectadas al cambiar el gradiente de velocidad.
El segundo motivo está relacionado con la presencia de la etapa de floculación fija, que en cierta medida tiene una
influencia mayor sobre los resultados que la primera etapa variable, al registrarse resultados más o menos
homogéneos para distintos gradientes aplicados.
5
Con el objetivo de corroborar esta última afirmación, se realizaron ensayos de jarras buscando representar lo que
sucede en una unidad UPA 200 cuando se opera con distintos gradientes de velocidad en el floculador mecánico y a
caudal constante, lo que implica un G constante en el floculador hidráulico. Para una determinada agua bruta, se
aplicaron en el equipo de jarras dos velocidades de agitación sucesivas: la primera variable, representando el
floculador mecánico, y la segunda fija (en 4.5 s-1), simulando el floculador hidráulico. Los resultados obtenidos se
compararon con ensayos de jarras realizados para un único valor de gradiente de velocidad. En la tabla 3 se indican
los valores obtenidos.
TABLA 3: Resultados de los ensayos de jarras.
Turb.mín
Agua
Turb.máx
G máx
(NTU)
(NTU)
(s-1)
Ensayo
Tala 28/04
Pando 25/05
Río Negro 20/06
Pando 20/07
Tala 05/10
A.Corrientes 20/12
2.53
12.6
11
14.1
12.1
5.15
4.21
80
80
80
80
80
80
80
0.65
2.23
3.03
2.18
2.21
1.04
0.63
G mín
(s-1)
10
20
20
20
20
20
20
∆turb
(NTU)
1.88
10.37
7.97
11.92
9.89
4.11
3.58
Como se observa, la variación de turbiedad en el caso de aplicar un segundo gradiente de velocidad es mucho menor
que en los ensayos realizados con un solo gradiente de velocidad, lo cual indica que este segundo gradiente logra un
efecto amortiguador en el proceso de floculación.
CONCLUSIONES
Los trabajos permitieron concluir que una etapa de floculación posterior produce un efecto “amortiguador” sobre la
etapa anterior, es decir que atenúa los cambios producidos en la turbiedad del agua sedimentada por las variaciones
del gradiente de velocidad en la primer etapa.
Para los casos estudiados, el operar la planta en la última etapa de floculación con un gradiente de velocidad
constante, prácticamente independiza los resultados de turbiedad del agua sedimentada, del gradiente de velocidad
aplicado en la primer etapa de floculación.
En consecuencia, en plantas potabilizadoras equipadas con floculadores mecánicos de varias etapas, los resultados
dependerían prioritariamente de las últimas etapas de floculación, debiendo prestarse especial atención en la
selección de sus parámetros de diseño, en cambio la variación del gradiente de velocidad en etapas anteriores no
produciría efectos significativos sobre la eficiencia del proceso.
Las conclusiones sugieren que de contarse con varias etapas de floculación, se podría operar las mismas a velocidad
constante, dejando exclusivamente para las últimas etapas la posibilidad de variar el gradiente de velocidad, dado su
clara influencia sobre la calidad del agua sedimentada.
En cuanto a las plantas UPA en particular los resultados llevan a suponer que no se justifique contar con un variador
de frecuencia para ajustar la velocidad del agitador, pudiendo operarse el floculador mecánico a velocidad constante
sin afectar en forma significativa los resultados.
6
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
American Water Works Association and American Society of civil Engineers. (1997) Water Treatment Plant Design;
805 pp; Mc Graw-Hill, 3ª edition.
American Water Works Association; Pontius, Frederik. (1990) Water quality and treatment, 1194 pp. McGraw-Hill
Book Company, Inc., cuarta edición. ISBN: 0-07-001540-60.
Arboleda Valencia, Jorge. (2000) Teoría y práctica de la purificación del agua. McGraw-Hill Book Company, Inc.,
tercera edición, tomo 1: 362 pp. y tomo 2: pp. 364-793. ISBN: 958-41-0012-2. 2000.
Azevedo Netto, J. (et al.). (1987) Técnica de abastecimento e tratamento de água, volumen 2, 317 pp. Convenio
CETESB / ASCETESB, tercera edición.
Di Bernardo, Luiz. (1993) Métodos e técnicas de tratamento de água, volumen 1, 481 pp. Associaçao Brasileira de
Engenharia Sanitária e Ambiental. ISBN: 85-7022-111-8.
Hudson, Herbert E.. (1981) Water clarification processes: practical design and evaluation, 353 pp. Van Nostrand
Reinhold Company. ISBN: 0-442-24490-8.
Martinez, Víctor. (Diciembre 1999) Estadística Aplicada a la Ingeniería Ambiental.
Richter C.; Azevedo Netto, J.. (1998) Tratamento de água: tecnología autorizada, 332 pp.. Editora Edgard Blücher
Ltda. ISBN: 85-212-0053-6.
7