Laboratorio de Ingeniería Ambiental - Inicio

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA
Nombre del alumno(s):
Nombre del Profesor(es):
Nombre del Ayudante:
Semestre:
Año:
2
Objetivo
Desarrollar en los alumnos las capacidades para definir una estrategia operacional en un tratamiento físicoquímico por lotes de aguas residuales que permita obtener elevados porcentajes de remoción de sólidos
suspendidos totales, a través de la selección y determinación de dosis de coagulantes y floculantes en
pruebas de jarras con un agua residual sintética, bajo condiciones típicas de tiempo y grado de
mezclamiento.
Materiales:
- Agua residual: efluente industrial sintético con alto contenido de sólidos suspendidos totales,
preparado con jugo de durazno marca Watts diluido 1:25.
- Coagulantes a evaluar: cloruro férrico y sulfato de aluminio. Se prepara para cada coagulante una
solución stock con una concentración de 50 g/L.
- Floculantes a evaluar: CCP 996A de Alquimia (floculante catiónico) y NC 030 de Alquimia
(floculante no catiónico). Se prepara para cada floculante una solución stock con una concentración
de 500 mg/L.
- Vasos precipitados de vidrio: Se requiere disponer de vasos de precipitados de 250 mL en número
igual al número de condiciones de tratamiento a evaluar en paralelo.
- Varilla para agitar.
- Probeta de 1 L para pruebas de fragilidad del lodo obtenido.
Equipamiento:
- Equipo para Pruebas de Jarra con vasos de vidrio de 1 L.
Etapa 1. Preselección de coagulante y floculante
Procedimiento:
Preselección del coagulante:
En cada ensayo, a un vaso de precipitado con 200 mL de agua residual se le adiciona un coagulante a una
dosis determinada. Luego, la mezcla se agita vigorosamente con una varilla por aproximadamente 5
minutos y se deja reposar. Las dosis de las soluciones stock de cloruro férrico y sulfato de aluminio a
evaluar son 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 y 3 mL (concentraciones de coagulante en el agua residual entre 125 a
750 mg/L). Se realizan un total de 12 ensayos. Para que todos los ensayos se lleven a cabo correctamente
se deben agitar en forma similar, es decir igual tiempo y velocidad de agitación.
A continuación se realiza una preselección a través de una evaluación visual y cualitativa de los
tratamientos, en base a los siguientes parámetros: volumen, color y turbidez del clarificado; tiempo de
coagulación y grado de resuspensión de los coágulos sedimentados formados al agitar suavemente el vaso
precipitado. Para ello completar la Ficha 1.
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Ficha 1. Preselección de tipo y dosis de coagulante
N°
Ensayo
Tipo
coagulante
Dosis
(mL)
Seleccionar visualmente el mejor coagulante y descartar el otro coagulante (se continúa con 6 ensayos).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Atributo
Procedimiento:
Asignar a cada atributo una ponderación, tal que la suma de todos los atributos sea igual a 1.
Considerando que los atributos más valorados en el proceso de coagulación son el obtener un alto
porcentaje de volumen clarificado con una baja turbidez.
Calificar cada uno de los atributos de cada ensayo de 6 a 1, siendo la mejor calificación el número 6 y la
peor el número 1. En caso de que un atributo sea calificado para dos o más ensayos iguales repita la
calificación. Determinar la calificación total de cada ensayo sumando las calificaciones ponderadas de
cada atributo.
Se seleccionan los dos mejores ensayos, para continuar con la selección de tipo y dosis de floculante.
Ponderación
atributo
N°ensayo:
Ensayos con coagulante seleccionado
N°ensayo:
N°ensayo:
N°ensayo:
N°ensayo:
Observaciones
N°ensayo:
Volumen
clarificado
Color
clarificado
Turbidez
clarificado
Tiempo
coagulación
Grado
resuspensión
coágulos
Calificación
total
Ensayos seleccionados: N°….. y N°…..
4
Preselección del floculante:
La preselección del floculante se realiza para los dos tratamientos de coagulación seleccionados
anteriormente. Se evalúan dos floculantes cada uno a tres dosificaciones diferentes, es decir se realizan un
total de 12 ensayos.
Para cada ensayo se realiza nuevamente el proceso de coagulación, y se adiciona el floculante a una dosis
determinada cuando se ha observado que los coágulos se han formado. La mezcla del floculante con el
agua residual coagulada se realiza en forma manual, agitando suavemente, por aproximadamente 2 a 15
minutos, con una varilla de forma de evitar que se rompan los flóculos formados, y luego se deja reposar.
Para que los ensayos se lleven a cabo correctamente el mezclamiento de todos ellos debe ser similar. Las
dosis de las soluciones stock de los tres floculante a evaluar son 1,0; 1,5 y 2,0 mL (concentraciones de
floculante en el agua residual entre 2 y 5 mg/L).
A continuación se realiza una preselección a través de una evaluación visual y cualitativa de los
tratamientos, en base a los siguientes parámetros: volumen clarificado, turbidez del clarificado, tiempo de
sedimentación, tamaño flóculos y grado de resuspensión de los flóculos sedimentados al agitar suavemente
el vaso precipitado. Para ello completar la Ficha 2.
5
Ficha 2. Preselección de tipo y dosis de floculante
N°
Ensayo
Coagulante
Tipo:
Dosis (mL)
Floculante
Tipo
Dosis (mL)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Atributo
Procedimiento:
Seleccionar visualmente el mejor floculante y descartar el otro floculante (se continúa
con 6 ensayos).
Asignar a cada atributo una ponderación, tal que la suma de todos los atributos sea
igual a 1. Considerando que los atributos más valorados en el proceso de floculación
son el obtener un alto porcentaje de volumen clarificado con una baja turbidez y un corto
tiempo de sedimentación de los flóculos formados.
Calificar cada uno de los atributos de cada ensayo de 6 a 1, siendo la mejor calificación
el número 6 y la peor el número 1. En caso de que un atributo sea calificado para dos o
más ensayos iguales repita la calificación. Determinar la calificación total de cada
ensayo sumando las calificaciones ponderadas de cada atributo.
Se seleccionan los dos mejores tratamientos, para continuar con las pruebas de jarra.
Ponderación
atributo
N°ensayo:
N°ensayo:
Ensayos con floculante seleccionado
N°ensayo:
N°ensayo:
N°ensayo:
Observaciones
N°ensayo:
Volumen
clarificado
Turbidez
clarificado
Tiempo
sedimentación
Tamaño
flóculos
Grado
resuspensión
flóculos
Calificación
total
Ensayos seleccionados: N°….. y N°…..
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Etapa 2. Selección del tratamiento de coagulación y floculación mediante Pruebas de Jarra
(Jar Test)
Procedimiento:
Tratamiento físico-químico mediante Pruebas de Jarra:
El ensayo de Pruebas de Jarra se realiza para los dos mejores tratamientos seleccionados en la Etapa 1,
siguiendo el siguiente protocolo:
a) Agregar 800 mL de agua residual a un vaso del equipo para realizar las pruebas de jarra.
b) Agregar el coagulante, en la dosis deseada, y agitar hasta la visualización de los coágulos
(alrededor de 3 minutos a 100-120 rpm). Registrar el tiempo de formación de coágulos y las
observaciones que estime relevantes.
c) Agregar el floculante y disminuir la velocidad de agitación a 30 rpm (15 – 45 rpm) por un tiempo
adecuado en el que se aprecie claramente la formación de los flóculos (2 – 15 minutos). Registrar
el tiempo de formación de flóculos y las observaciones que estime relevantes.
d) Detener la agitación y observar la sedimentación del lodo, manteniendo la muestra en reposo en el
vaso del equipo. Una vez sedimentado el lodo, registrar el volumen de lodo sedimentado y el tiempo
requerido para su sedimentación. Identificar el tipo de sedimentación observada (tipo I, II o III).
e) Evaluar la fragilidad del lodo al traspasar el contenido del vaso a una probeta de 1 L.
Al agua residual no tratada y a los clarificados obtenidos luego de las Pruebas de Jarra, se les determinan
los parámetros físico-químicos indicados en la Tabla 1.
Tabla 1. Análisis a realizar al agua residual y a los clarificados obtenidos de las Pruebas de Jarra
Metodología
Sólidos suspendidos
totales
Turbidez
Conductividad
pH
NCh 2313/3.Of95
Método Hach
NCh417.Of63
Agua residual
no tratada
X
Agua
clarificada
X
X
X
X
X
X
X
Completar Ficha 3.
Estimar los siguientes caudales para el tratamiento físico-químico continuo que se realizará en el Práctico
2, alimentado con un caudal de agua residual de 500 mL/min:
-
Caudal a dosificar de soluciones stock de coagulante:……mL/min
Caudal a dosificar de soluciones stock de floculante:……mL/min
Caudal de purga de lodos:……mL/min
7
Ficha 3. Selección del tratamiento físico-químico
Tipo coagulante:
Tipo floculante:
Ensayo
N°1
Concentración coagulante en agua
residual (mg/L)
Dosis floculante (mL/L agua residual)
en
Procedimiento:
Analizar y discutir el efecto de los
dos tratamientos aplicados sobre
los diferentes parámetros físicoquímicos medidos y como se
relacionan entre sí.
Dosis coagulante (mL/L agua residual)
Concentración floculante
residual (mg/L)
Ensayo
N°2
Seleccionar el mejor para ser
aplicado al tratamiento continuo
del agua residual que se realizará
en el Práctico 2.
agua
Resultados de mediciones:
Parámetros físico-químicos
Unidad
Agua residual
Ensayo N°1
Ensayo N°2
Tiempo de coagulación
Tiempo floculación
Volumen de lodos
% Volumen clarificado
Tipo de sedimentación
Fragilidad lodos
Conductividad
Sólidos suspendidos totales
Turbidez
% Remoción sólidos
totales
% Remoción turbidez
suspendidos
pH
Observaciones:
Ensayo seleccionado: N°…….
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Objetivo
Desarrollar en los alumnos las capacidades para realizar una puesta en marcha y seguimiento de un
proceso físico-químico continuo de aguas residuales a través de ensayos a escala laboratorio en un equipo
similar a uno industrial, empleando un efluente sintético, las dosis de coagulante y floculante seleccionadas
en las Pruebas de Jarra y dos tiempos de retención hidráulica (TRH).
Etapa 1. Estudio de la coagulación y floculación en un sistema continuo
Descripción del sistema coagulación-floculación-sedimentación:
El equipo de coagulación-floculación-sedimentación (CFS) que se utiliza es un prototipo de uno a escala
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industrial (ver Figura 1). Posee una cámara de coagulación de 4 L (dimensiones 20 x 20 x10 cm ) y una
3
cámara de floculación de 13,32 L (dimensiones 20 x 20 x 33,3 cm ), las que se encuentran comunicadas
por fondo. Para la clarificación del agua residual tratada dispone de un sedimentador lamelar de 11,32 L con
10 lamelas que se pueden desmontar fácilmente. El traspaso del agua coagulada y floculada al
sedimentador se realiza a una altura intermedia del sedimentador evitando que se destruyan los flóculos
formados. Por tope del sedimentador existe un vertedero cuyo propósito es retener los sólidos suspendidos
que pudieran flotar y así obtener un buen clarificado. Existe una salida de lodos por fondo del sedimentador
cuyo caudal se regula a través de una válvula.
Cámara
Floculación
Cámara
Coagulación
Salida
clarificado
Sedimentador
lamelar
Purga lodos
Figura 1. Vista del equipo del equipo de coagulación-floculación-sedimentación continuo
9
Equipamiento auxiliar:
- Agitador mecánico con hélice marina que se ubica en la cámara de coagulación.
- Agitador mecánico con hélice Rushton que se ubica en la cámara de floculación.
- Bomba de alimentación de agua residual con variación de caudal y que sea capaz de entregar un
caudal de hasta 1 L/min
- Bomba dosificadora de coagulante con variación de caudal y que sea capaz de entregar un caudal
de hasta 10 mL/min.
- Bomba dosificadora de floculante con variación de caudal y que sea capaz de entregar un caudal de
hasta 10 mL/min.
Modo de operación:
El agua residual y el coagulante se alimentan por tope a la cámara de coagulación mediante bombas, en
donde la mezcla se agita a una velocidad de alrededor de 110 rpm (100-120 rpm) con el agitador mecánico
dispuesto en esta cámara. El agua residual coagulada ingresa por fondo a la cámara de floculación, y el
floculante es alimentado por tope mediante una bomba. La mezcla es agitada suavemente por el agitador
dispuesto en esta cámara el que opera a una velocidad de alrededor de 30 rpm (15 -45 rpm). El agua
residual coagulada y floculada es sedimentada en el sedimentador lamelar obteniéndose por tope el agua
clarificada y por fondo el lodo. En la Figura 2 se muestra un esquema del sistema de coagulaciónfloculación-sedimentación.
Agua
residual
Coagulante
Floculante
Clarificado
Lodos
Cámara
coagulación
Cámara
floculación
Sedimentador
lamelar
Figura 2. Esquema de operación del equipo de coagulación-floculación-sedimentación continuo
Montaje, puesta en marcha y seguimiento del sistema de CFS:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Preparar el agua residual de igual manera que el indicado en el Práctico 1.
Montar y ajustar la bomba de alimentación del agua residual a 500 mL/min.
Montar y ajustar las bombas dosificadoras de coagulante y de floculante de acuerdo a dosificaciones
determinadas en las Pruebas de Jarra (Práctico 1).
Montar agitadores mecánicos y ajustar sus velocidades de agitación.
Llenar el equipo de CFS a tope con el agua residual.
Iniciar la alimentación del agua residual, de coagulante y de floculante, cronometrando toda la
operación.
10
7.
8.
9.
11.
12.
Regular el caudal de salida de fondo del sedimentador, de tal manera que su flujo permita que no se
acumule lodo.
Para realizar el seguimiento del proceso medir cada 10 minutos conductividad, pH y turbidez del
clarificado. Ver metodología en Tabla 2 y completar Ficha 4.
Una vez alcanzado el estado estacionario, es decir cuando los parámetros medidos en el punto anterior
se mantienen constantes, proceder a determinar los caudales del clarificado y de la corriente de lodos.
Tomar muestras de clarificado y de lodos para determinar los análisis indicados en la Tabla 2.
Completar Ficha 5.
Modificar el flujo de alimentación (TRH) manteniendo la dosificación de coagulante y floculante y repetir
el procedimiento desde el punto 7. Completar Ficha 6 y 7. Discutir cómo afecta la calidad del clarificado
y del lodo obtenido la variación de este caudal.
Una vez terminado el proceso, corte la bomba de alimentación, así como también las de dosificación.
Desenchufe los agitadores y retire todo aparato eléctrico antes de retirar el agua residual por la zona de
purga de lodo.
Tabla 2. Análisis a realizar al agua residual, clarificado y lodo en estado estacionario
Metodología
Turbidez
Conductividad
% Caudal clarificado
Sólidos suspendidos
totales
DQO total
DQO filtrado
pH
Método Hach
NCh417.Of63
Agua residual
no tratada
X
X
NCh 2313/3.Of95
X
Agua
clarificada
X
X
X
X
Standard Methods for
Wastewater 5220C
Standard Methods for
Wastewater 5220C
X
X
X
X
X
X
Lodo
X
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Durante el desarrollo de la experiencia, responda y complete el siguiente cuestionario:
1. Como puedo medir los caudales de entrada y salida del proceso?
2. Como puedo regular los caudales de la purga de lodo y del clarificado, para optimizar el proceso?
3. Porque cree usted que es importante evitar que se acumule lodo en el sedimentador?
4. Qué haría usted para evitar que se acumule lodo en el sedimentador?
5. Qué cree usted que pasaría si se apaga o se modifica la agitación en el floculador?
6. Qué cree usted que pasaría si se retiran 5 lamelas (una de por medio) del sedimentador?
7. Le parece adecuado la manera en que se realiza el seguimiento del comportamiento del proceso?
8. Identifique los problemas que se generan en la operación del equipo, indicando como se pueden
solucionar.
9. Que sugerencias realizaría usted para mejorar el tratamiento físico-químico del agua residual?
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Ficha 4. Seguimiento del proceso físico-químico continuo alimentado con 500 mL/min de agua
residual
Tiempo (………)
Conductividad (…………)
pH
Turbidez (…………)
Observaciones:
Tiempo requerido para alcanzar estado estacionario:
13
Ficha 5. Resultados obtenidos del tratamiento físico-químico alimentado con 500 mL/min de agua
residual en estado estacionario
Parámetro de operación
valor
Caudal coagulante (mL/min)
Caudal floculante (ml/min)
TRH en cámara coagulación (min)
TRH en cámara coagulación (min)
Resultados de mediciones:
Parámetros físico-químicos
Unidad
Agua residual
Clarificado
Lodo
Caudal
% Caudal clarificado
Conductividad
DQO total
DQO filtrado
Sólidos suspendidos totales
Turbidez
% Remoción de DQO total
% Remoción de DQO filtrado
% Remoción sólidos suspendidos
totales
% Remoción turbidez
pH
Observaciones:
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Ficha 6. Seguimiento del proceso físico-químico continuo alimentado con….…. mL/min de agua
residual
Tiempo (………)
Conductividad (…………)
pH
Turbidez (…………)
Observaciones:
Tiempo requerido para alcanzar estado estacionario:
15
Ficha 7. Resultados obtenidos del tratamiento físico-químico alimentado con……. mL/min de agua
residual en estado estacionario
Parámetro de operación
valor
Caudal coagulante (mL/min)
Caudal floculante (ml/min)
TRH en cámara coagulación (min)
TRH en cámara coagulación (min)
Resultados de mediciones:
Parámetros físico-químicos
Unidad
Agua residual
Clarificado
Lodo
Caudal
% Caudal clarificado
Conductividad
DQO total
DQO filtrado
Sólidos suspendidos totales
Turbidez
% Remoción de DQO total
% Remoción de DQO filtrado
% Remoción sólidos suspendidos
totales
% Remoción turbidez
pH
Observaciones:
16
Resumen (Máximo 1 página)
Indicar una breve reseña del trabajo realizado, los principales resultados y las conclusiones más relevantes.
Discusión
Los resultados deben ser analizados críticamente, comparándolos cuando corresponda con la teoría, resultados encontrados en
bibliografía y normativas ambientales.
Conclusiones
Se debe entregar las conclusiones que emanen del trabajo experimental realizado y de la discusión realizada a los resultados del
trabajo experimental.
Bibliografía
Las citas bibliográficas presentadas en la sección de Discusión deben estar correctamente referenciadas.
Anexos
Se incluyen los ejemplos de cálculos analíticos.
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