Estudio de tres procesos para la reducción del contenido

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y
Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
ESTUDIO DE TRES PROCESOS PARA LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO
DE FLUORUROS EN AGUAS DE ABASTECIMIENTO PÚBLICO Y
SU EFECTO SOBRE LA REMOCIÓN DE ARSÉNICO
Jorge L. de Victorica Almeida.*
Instituto de Ingeniería, UNAM
Es doctor en Ingeniería Ambiental. Inició sus actividades profesionales como investigador, en el Instituto Mexicano del
Petróleo y luego en el Centro de Investigación y Entrenamiento para el Control de la calidad del Agua, de la ahora
SEMARNAT. Desde 1979 labora como investigador en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Sus líneas de investigación
son la ingeniería de procesos para el tratamiento de aguas y aguas residuales y la de modelos matemáticos de calidad del
agua para ríos, lagos y embalses. También es profesor del Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM.
Matilde Galván García.
Instituto de Ingeniería, UNAM
Fulvio Mendoza Rosas.
Facultad de Química, UNAM
* Instituto de Ingeniería, UNAM. Cd. Universitaria, Coyoacan. C.P. 04510, México, D.F.. Tel. 2622-3320; Fax: 5616-2162;
E-mail: jva@pumas.iingen.unam.mx.
RESUMEN
En diversos estados de la República Mexicana, tales como Chihuahua, Zacatecas, Durango, Baja California Norte, San
Luis Potosí y Aguascalientes, entre otros, existen regiones en las que el agua destinada al consumo humano, contiene
concentraciones de fluoruros que exceden el valor norma de 1.5 mg/L. Esta ha provocado serios problemas de salud en
la población consumidora. Los resultados de un trabajo experimental realizado en 1998, en el que se probaron y
validaron varias técnicas para la remoción de fluoruros, mostraron que las conocidas como “Alúmina activada”,
“Nalconada” y “Carbón de hueso”, son las más factibles de aplicar en nuestro país por su eficiencia, costo y
disponibilidad de equipo y materiales. Aplicando cualquiera de las tres se obtuvieron, en el efluente tratado,
concentraciones de fluoruros de hasta 1.5 mg/L y menores, partiendo de una concentración inicial del orden de los 4
mg/L. También se tuvo evidencia presuntiva de que es posible reducir, en forma conjunta, las concentraciones de flúor y
arsénico del agua que los contiene, aplicando cualquiera de los procesos mencionados. En este escrito se presentan los
resultados de un trabajo experimental, realizado de acuerdo con un diseño estadístico del tipo factorial de efectos fijos y
en condiciones de campo reales, para determinar cuál de los procesos arriba mencionados, bajo condiciones óptimas de
operación, era el más eficiente para la reducción de las concentraciones de fluoruros y sus efectos sobre la remoción de
arsénico. De los resultados de este trabajo se concluye que es posible, con el proceso de la Nalconada, reducir
conjuntamente, de manera eficiente y a un costo relativamente bajo ($3.60/m3) el contenido de fluoruros y arsénico en el
agua, desde 6.33 mg/L y 0.23 mg/L hasta 1.2304 mg/L y 0.012 mg/L de fluoruros y arsénico, respectivamente; estas
magnitudes que están por debajo de los valores norma de 1.5 mg/L y 1.045 mg/L, para cada uno de ellos. Así mismo,
este proceso garantiza el cumplimiento de la concentración de 0.025 mg/L de arsénico, propuesto como valor norma
para el año 2005 para agua destinada al abastecimiento público.
Palabras Clave: Potabilización, Abastecimiento, Flúor, Arsénico, Normativa.
INTRODUCCIÓN
1
En diversos estados de la República Mexicana, tales como Chihuahua, Zacatecas, Durango, Baja California Norte, San
Luis Potosí y Aguascalientes, entre otros, existen regiones en las que el agua destinada al consumo humano, contiene
concentraciones de fluoruros que exceden el valor norma de 1.5 mg/L como puede verse en la tabla 1. Esta agua con
exceso de fluoruros ha provocado serios problemas de salud en la población consumidora.
TABLA 1: Concentración promedio de fluoruros
en el agua de algunas localidades de la República
Mexicana (Durán, 1980)
LOCALIDAD
CONC. MAX. DE
FLUORUROS
(ppm)
Aguascalientes, Ags.
2.6
Ensenada, BCN
1.4
Tijuana, BCN
3.0
Cd. Camargo, Chih.
1.32
Parral, Chih.
1.5
Chihuahua, Chih.
2.8
Salamanca, Gto.
1.98
Lagos de Moreno, Jal.
1.5
San Luis Potosí, SLP
3.5
Hermosillo, Son.
1.1
Río Bravo, Tamps.
1.3
La Piedad, Mich.
1.65
En un estudio más reciente, Heredia (1997), se detectaron concentraciones de entre 0.05 hasta 16.15 mg/L de flúor en el
Valle de Guadiana, Dgo. Además, en algunos pozos del estado de Chihuahua, en el año 2000, se midieron
concentraciones de 1.91 a 3.04 mg/L , Espino (2001).
Los resultados de un trabajo experimental realizado en 1998, Mendoza (1998), en el que se probaron y validaron
técnicamente varios procesos para la remoción de fluoruros, mostraron que los conocidos como “Alúmina activada”,
“Nalconada” y “Carbón de hueso”, son los más factibles de aplicar en nuestro país por su eficiencia, costo y
disponibiliad de equipo y materiales. En la tabla 2 se muestran los criterios considerados en dicha evaluación técnica, así
como los resultados obtenidos de ésta.
Cabe señalar que el proceso con rocas de fósiles marinos no fue considerado como opción, por no haber disposición de
la materia prima. Con esta base, aplicando cualquiera de los tres procesos factibles, se obtuvieron en el efluente tratado
concentraciones de fluoruros de hasta 1.5 mg/L y menores como puede notarse en la figura 1, partiendo de una
concentración inicial del orden de los 4 mg/L. También se obtuvo evidencia presuntiva de que es posible reducir, en
forma conjunta, las concentraciones de flúor y arsénico del agua que los contiene, aplicando cualquiera de los procesos
mencionados.
2
TABLA 2: Evaluación técnica de algunos procesos para la remoción de los
fluoruros presentes en el agua de abastecimiento
Calificación para el método de
Escala de
Criterio con mayor
remoción*
Concepto/Ruta
calificación
puntuación
1
2
3
4
5
6
7
Materia Prima
10
10
7
10
10
0
0
0-10
Lodos
Toxicidad
Regeneración
0
10
0
9
1
5
9
2
5
7
0
5
0
7
0
9
10
5
3
10
0
0-9
0-10
0-5
Mayor
disponibilidad
Menos lodos
Menos tóxicos
Regeneración de
materiales
Menos operaciones
involucradas
Menos reactivos
Operaciones
3
0
0
0
3
0
3
0-3
Unitarias
Cantidad de
3
2
2
0
2
1
3
0-3
Reactivos
Total
26 27 25 22 22 25 19
*1) Técnica de la Nalconada, 2) Alúmina activada, 3) Carbón Animal, 4) Fosfato
tricálcico (hueso sintético), 5) Lodo de fosfato de aluminio, 6) Rocas de fósiles
marinos tratadas con sulfato de aluminio, 7) Lodo de sílica-gel
Fresidual
4.5
(mg/L)
4
3.5
3
ALÚMINA
2.5
CARBÓN
2
NALCONDA
1.5
1
0.5
0
0
10 20 30 40 50 60 75 90
Tiempo (min)
Figura 1: Flúor residual para distintos procesos en función del tiempo de mezclado.
METODOLOGÍA
No obstante que es posible incorporar a los procesos de potabilización convencional alguno de los procesos específicos
para la remoción de los fluoruros, en otro estudio realizado en el año 2001 (De Victorica et al., 2001) fue necesario
probarlos en condiciones reales y determinar, para el mejor de ellos, los parámetros para el diseño de una planta a escala
piloto y, de ésta, los correspondientes para el diseño en prototipo, así como verificar, en cada uno de dichos procesos, si
había o no efectos conjuntos de remoción de Flúor y Arsénico.
Las pruebas se realizaron de acuerdo con diseños estadísticos del tipo factorial de efectos fijos, Montgomery (1991).
Para las pruebas de las técnicas del Carbón Animal y Alúmina Activada, se definieron como variables o factores
independientes el pH, la carga hidráulica superficial (flux) y la altura del lecho para las pruebas en columnas. En ambos
3
casos se consideró como variable dependiente o de respuesta, a la concentración remanente de fluoruros. Para la técnica
de la Nalconada, se consideraron como variables independientes la dosis de sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, la
alcalinidad y el tiempo de contacto. Como variable de respuesta, al igual que en las técnicas anteriores, se consideró la
concentración remanente de fluoruros. Los niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso son
presentados en la tabla 3.
La fuente de agua para desarrollar las pruebas, procedió de un pozo cuyos análisis químicos del agua reportan, Espino
(2001), como dato más reciente, concentración de Flúor de 6.33 mg/L y de Arsénico de 0.23 mg/L.
TABLA 3: Niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso
VARIABLES
PROCESOS
ALÚMINA
CARBÓN
NALCONADA
pH
3,5,6,7,8 y 10
3,5,6,7,8 y 10
Natural
Dosis Al2(SO4)3
0, 200, 400,
(mg/L)
no aplica
no aplica
600, 800, 1000
y 1200
Alcalinidad (mg/L)
natural
natural
Natural, 400 Y
500
Flux
1.51,
3.03, 1.51,
3.03, no aplica
(gal/min·ft2)
4.54 y 6.05
4.54 y 6.05
Tiempo de contacto
30
30
15, 30, 45 y 60
(min)
Altura del lecho
0.7, 1.4 y 2.1
0.7, 1.4 y 2.1
no aplica
(m)
Una vez determinadas las mejores condiciones de operación para cada técnica como se indican en la tabla 4, además de
cuantificar, por triplicado, el efecto de estas condiciones sobre la remoción de fluoruros en el agua proveniente del pozo,
se cuantificó el efecto sobre la reducción de las concentraciones de arsénico presentes en la misma agua.
TABLA 4: Mejores condiciones de operación para las técnicas probadas
PROCESOS
ALÚMINA
CARBÓN DE HUESO
NALCONADA
ACTIVADA
pH óptimo = natural
pH óptimo = natural
Alcalinidad = 400 mg CaCO3/L
Flux = 6.05 gal/min·ft2 Flux = 6.05 gal/min·ft2 Dosis Al2(SO4)3 = 400 mg/L
Altura de lecho = 1.4 m Altura de lecho = 0.7 m ta = 15 minutos
tsed = 30 minutos
Para el análisis y evaluación de los resultados, las pruebas estadísticas practicadas se basaron en el análisis de variancia
fundamentado en la distribución de Fisher (prueba F) a un nivel de confianza de 99% y, mediante el procedimiento de l
as comparaciones múltiples de Duncan, se determinó entre qué niveles de las variables probadas existían, desde el punto
de vista estadístico, diferencias significativas en las concentraciones residuales de fluoruros. El mismo procedimiento se
aplicó para la evaluación del efecto de las técnicas, en sus mejores condiciones de operación, sobre la remoción del
contenido de arsénico.
RESULTADOS
Los principales resultados obtenidos se muestran en la tabla 5 y gráficos 2 y 3 los cuales, con base en el análisis
estadístico, permiten afirmar que el proceso de Adsorción con Carbón de Hueso es el más eficiente para la remoción de
fluoruros y el menos eficiente para la remoción de arsénico; esto es, se pueden lograr concentraciones residuales de
fluoruros hasta de 0.1764 mg/L, valor muy por debajo del valor norma, más no así para el arsénico, ya que la máxima
4
concentración residual obtenida fue de 0.061 mg/L, magnitud que rebasa la concentración de 0.045 mg/l establecida
como valor norma actual para México. Aunque se asegura que este proceso es efectivo para remover el arsénico del
agua, cabe recordar que toda la experimentación se realizó buscando la optimización de los procesos para la remoción de
fluoruros y no para la remoción del arsénico, por lo que se cree posible que este proceso pueda ser efectivo para la
remoción de arsénico bajo condiciones de operación diferentes a las realizadas en este estudio.
En lo que se refiere al proceso de la Alúmina, es el menos eficiente para la remoción de fluoruros, ya que aunque se
logró reducirlo hasta un valor de 1.5537 mg/L no satisface el valor norma de 1.5 mg/L y, en cuanto al efecto de este
proceso sobre la remoción de arsénico, aunque más eficiente que el proceso de adsorción con carbón, no fue suficiente
para lograr un residual similar al valor norma actual, dado que la máxima concentración residual de arsénico obtenida
fue de 0.047 mg/L. Cabe señalar, que con este proceso se piensa que es posible obtener, al igual que con el proceso de
adsorción con carbón, concentraciones residuales de arsénico que satisfagan el valor norma bajo otras condiciones de
operación del proceso no ensayadas en el presente estudio.
Por lo que toca al proceso de la Nalconada, éste resultó ser el más indicado para la remoción conjunta de fluoruros y
arsénico, ya que aunque menos eficiente que el proceso de adsorción con carbón para remover los fluoruros, se logró
reducir su concentración hasta 1.2304 mg/L, magnitud que cumple satisfactoriamente con el valor norma para este
parámetro. En cuanto a la remoción de arsénico, este proceso resultó ser el más eficiente, ya que es posible lograr
concentraciones de arsénico de 0.012 mg/L en el efluente, concentración muy por debajo del valor norma actual, con lo
que se puede cumplir también con el valor norma de 0.025 mg/L propuesto para el año 2005.
TABLA 5: Niveles y magnitudes de las variables de prueba para cada proceso
VARIABLES
PROCESOS
ALÚMINA
CARBÓN
NALCONADA
pH
3,5,6,7,8 y 10
3,5,6,7,8 y 10
Natural
Dosis Al2(SO4)3 (mg/L)
0, 200, 400, 600,
no aplica
no aplica
800, 1000 y 1200
Alcalinidad
(mg/L)
natural
natural
Natural, 400 Y
500
Flux
(gal/min·ft2)
1.51, 3.03, 4.54
1.51, 3.03, 4.54
No aplica
y 6.05
y 6.05
Tiempo de contacto
(min)
30
30
15, 30, 45 y 60
Altura del lecho
(m)
0.7, 1.4 y 2.1
0.7, 1.4 y 2.1
No aplica
F- res (mg/L)
5.0
4.5
4.0
3.5
3
4
5
6
pH
7
8
9
10
Figura 2: Efecto del pH sobre la remoción de fluoruros (alúmina activada)
5
F- res (mg/L)
3.0
2.5
2.0
0.7 m
1.5
1.4 m
1.0
2.1 m
0.5
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Flux (gal/min ft2)
Figura 3: Efecto del flux y altura del lecho sobre la remoción de fluoruros (alúmina activada)
En lo que se refiere a los costos, para su estimación se tomó en cuenta la capacidad adsortiva de los materiales, el caudal
de agua por tratar, la concentración inicial y final, los costos de las materias primas y su vida útil, así como el costo por
su regeneración (10% del costo del material). Con base en lo anterior, se estimó un costo unitario de $5.3/m3 de agua
tratada para el proceso de Adsorción con carbón; de $18.90/m3 de agua tratada para el proceso de la Alúmina activada y
de $3.60/m3 de agua tratada para la técnica de la Nalconada.
De los resultados de este trabajo se concluye que es posible, con el procesos de la Nalconada, eliminar conjuntamente,
de manera eficiente y a un costo relativamente bajo el contenido de fluoruros y arsénico del agua destinada al consumo
humano, hasta por debajo de los valores norma, Así mismo, este proceso garantiza el cumplimiento de la concentración
de 0.025 mg/L de arsénico, propuesto como valor norma para el año 2005 para agua destinada al abastecimiento público.
Agradecimientos.- Los autores agradecen a las autoridades de la Gerencia de Potabilización y Tratamiento de la
Subdirección General de Construcción de la Comisión Nacional del Agua, el auspicio para la realización de este
trabajo de investigación.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
De Victorica A.J., Galván G.M., Mendoza R.F., Anaya P.R. (2001) Estudio del proceso para remover las concentraciones de
flúor en exceso en aguas para abastecimiento público. Estudio realizado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM para la Comisión
Nacional del Agua.
Durán C. Carmen. (1980) Fluoración en abastecimiento de agua potable. Tesis de Licenciatura. Fac. de Química, UNAM.
México, D.F.
Espino V.M. (2001) Junta Central de Agua y Saneamiento del estado de Chihuahua, México (comunicación personal).
Heredia D.M. (1997) Gerencia de Potabilización y Tratamiento; Subdirección General de Construccón, Comisión Nacional
del Agua, México, D.F. (comunicación personal)
Mendoza R.F. (1998) Estudio de tratabilidad para reducir las concentraciones de fluoruro en el agua de abastecimiento.
Tesis de Maestría en Ingeniería Ambiental. División de Estudios de Posgrado-Facultad de Ingeniería, UNAM, México, D.F.
Motngomery D.C. (1991) Diseño y Análisis de Experimentos, Grupo Editorial Iberoamérica, S.A. de C.V. México, D.F.
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