Universidad Tecnológica de Querétaro Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou, email=webmaster@uteq.edu.mx, c=MX Fecha: 2012.06.04 10:26:29 -05'00' UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad. Conocimiento y Servicio Nombre del proyecto: TRATAMIENTO FISICOQUIMICO DE AGUA DE PRESA Empresa: EQUIPOS Y SUMINISTROS AGUA LIMPIA, S.A. DE C.V. Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: INGENIERO AMBIENTAL Presenta: GONZÁLEZ PÉREZ MINERVA Asesor UTEQ Asesor de la empresa M. en C. Amb. Rosalinda Camacho Olguín Ing. Nancy Berenice Osuna Guerrero Santiago de Querétaro, Qro., mayo de 2012 RESUMEN El crecimiento de la población en las grandes ciudades pone en riesgo el abastecimiento y aprovechamiento seguro del agua para uso y consumo humano, y la cuidad de Matamoros, no es la excepción. El agua de río o presa es una alternativa de abastecimiento para abatir la sobrexplotación de los mantos acuíferos. En este estudio, para obtener agua para uso y consumo humano, se consideró el agua proveniente del Río Bravo por su cercanía al lugar de abastecimiento. Para remover partículas coloidales y sustancias orgánicas disueltas se determinaron las dosificaciones óptimas de Sulfato de Aluminio y Poliacrilamida como agentes coagulantes y floculantes por medio de prueba de jarras. La dosis óptima de coagulante fue de 15mg/L de Sulfato de Aluminio y la de floculante fue de 0.4mg/L de poliacrilamida. Estas concentraciones se escalaron para el tratamiento de una potabilizadora que manejará un gasto de 10lps. De acuerdo a las concentraciones obtenidas tanto de coagulante como de floculante la dosis a dosificar para la planta será de 4.75galones/hora, esta concentración se dosificara con ayuda de una bomba dosificadora de diafragma. Con estas pruebas el color se redujo de 335 a 10 Unidades de Platino Cobalto (PtCo), la turbidez se redujo de 116 a 1unidad de turbidez (NTU), con lo que los parámetros mencionados con anterioridad cumplen la normatividad que marca la NOM-127-SSA1-1997. Palabras clave: coagulación-floculación, potabilización i ABSTRACT The growth of population in large cities threatens the supply and the safe use of water for human use and consumption, and the city of Matamoros, is no exception. The water of rivers or dams is an alternative supply to bring down the overexploitation of aquifers. In this study, to get water for human use and consumption, we have considered the water from the Rio Grande because of its proximity to the place of supply. To remove colloidal and dissolved organic substances were determined optimum dosages of Aluminum Sulfate Polyacrylamide agents and coagulants and flocculants through jar test. The optimal dose of coagulant was 15mg / L of aluminum sulfate and the flocculant was 0.4mg / L polyacrylamide. These concentrations were scaled for the treatment of a water treatment that will handle a 10lps expense. According to the concentrations obtained as both coagulant and flocculant, the dose needed for the plant will be 4.75galons per hour, this concentration well be dosed using a diaphragm metering pump. With these tests the color was reduced from 335 to 10 Platinum Cobalt Units (PtCo), turbidity was reduced from 116 to 1unit of turbidity (NTU), so that the parameters mentioned above comply with the regulations that makes the NOM-127 -SSA1-1997. Keywords: coagulation-flocculation, purification ii AGRADECIMIENTOS La presente tesis es un esfuerzo en el cual, directa e indirectamente, participaron varias personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome paciencia, dando ánimo, acompañando en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad. Agradezco a la M. en C. Rosalinda Camacho Olguín por haber confiado en mi persona, por la paciencia, dirección, consejos, apoyo y por sus comentarios en todo el proceso de elaboración de la tesis y sus atinadas correcciones. También agradezco a la Universidad Tecnológica de Querétaro que me brindó los servicios y materiales necesarios para realizar las investigaciones teóricas para fundamentar mi proyecto así mismo, agradezco la disponibilidad de las instalaciones de la carrera como los laboratorios de investigación. Por último pero no menos importante a mis padres, por todo su apoyo, comprensión y cariño que me han brindado. iii INDICE RESUMEN ............................................................................................................... i ABSTRACT.............................................................................................................. ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii I. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1 II. ANTECEDENTES ............................................................................................... 2 II.1 Calidad de agua en el Río Bravo. ...................................................................... 2 II.2 Área de estudio. ................................................................................................ 2 III. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 3 IV.OBJETIVOS ....................................................................................................... 4 V. ALCANCES ........................................................................................................ 4 V.1 Investigación teórica ......................................................................................... 4 V.2 Puesta en marcha ............................................................................................. 4 V.3 Obtención y análisis de resultados ................................................................... 5 VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA .............................................................................. 5 VI.1 Agua de Río. .................................................................................................... 5 VI.2 Río Bravo (Tamaulipas) ................................................................................... 6 VI.3 Geografía. ........................................................................................................ 6 VI.4 Principales afluentes. ....................................................................................... 7 VI.5 Situación ambiental. ......................................................................................... 7 VI.6 Coagulación. .................................................................................................... 8 VI.7 Modelos físicos de la coagulación ................................................................... 9 VI.8 Coagulantes. .................................................................................................. 12 VI.9 Sulfato de Aluminio. ....................................................................................... 12 VI.10 Dosificación de coagulante vs turbiedad y pH. ............................................ 14 VI.11 Floculación. .................................................................................................. 15 VI.12 Tipos de floculantes. .................................................................................... 16 VI.13 Prueba de jarras. ......................................................................................... 16 VI.14 Descripción del equipo de prueba de jarras. ................................................ 17 VII.PLAN DE ACTIVIDADES ................................................................................ 18 VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS.................................................... 19 IX. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................... 19 IX.1 Investigación teórica: ..................................................................................... 19 IX.2 Recolección de muestra................................................................................. 19 IX.3 Caracterización del agua cruda. .................................................................... 20 X. RESULTADOS OBTENIDOS ........................................................................... 24 X.1 Muestreo. ........................................................................................................ 24 X.2 Resultados de la remoción de los contaminantes en el agua tratada. ............ 24 X.3 Resultados de las pruebas de jarras. .............................................................. 25 XI. ANÁLISIS DE RIESGO ................................................................................... 27 XII. CONCLUSIONES ........................................................................................... 28 XIII. RECOMENDACIONES .................................................................................. 29 XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 29 INDICE DE FIGURAS Figura 1 Modelo de la doble capa. ........................................................................ 10 Figura 2: Efecto de la dosificación del coagulante sobre las limitaciones en el intervalo de pH. .................................................................................................. 15 Figura 3: Agitador de propelas: Equipo de laboratorio para prueba de jarras. ...... 17 Figura 4: Agua cruda sin tratamiento. ................................................................... 20 Figura 5. Sedimentación después del periodo de floculación. .............................. 23 INDICE DE TABLAS Tabla 1: Concentración de Sulfato de Aluminio y polímero. .................................. 22 Tabla 2: Medición de parámetros de campo del agua cruda. ................................ 24 Tabla 3 Resultados de la eficiencia de remoción de los contaminantes en el agua tratada. ............................................................................................................... 24 Tabla 4 Resultados de la remoción de contaminantes con ayuda de floculante. .. 25 I. INTRODUCCIÓN En los últimos dos años se ha oído hablar que el Río Bravo contiene altos niveles de contaminación, esta problemática se debe principalmente a las descargas que realizan las empresas que se ubican a lo largo de la cuenca del río. Los principales contaminantes que se encuentran son residuos de fármacos, minerales, metales pesados, arsénico, pesticidas, plomo y materiales radioactivos; encontrados desde su nacimiento hasta su desembocadura en el Golfo de México. Actualmente el Río Bravo juega un papel importante en el abastecimiento de agua de la población. Actualmente se cuenta con una planta que trata el caudal del río, sin embargo debido a la carga contaminante los costos al tratarla aumentan. La presente investigación se orienta al tratamiento de agua de río para abastecer la demanda de agua en la comunidad de ejido el Refugio en Matamoros, Tamaulipas. Se propuso evaluar alternativas económicas, convencionales de tratamiento y disponibilidad de abastecimiento de agua para uso y consumo humano que cumpla con la NOM-SSA1-1997, para los cual se considero el agua proveniente del Río Bravo por ser el cuerpo de agua más cercano. El presente proyecto tiene como objetivo evaluar la eficiencia de remoción del sulfato de aluminio con ayuda de la poliacrilamida, en el tratamiento fisicoquímico para este tipo de agua, considerando que dichos compuestos tienen perjuicios a la salud humana si son dosificadas en altas concentraciones. 1 II. ANTECEDENTES II.1 Calidad de agua en el Río Bravo. Los principales contaminantes registrados en el Río Bravo son arsénico, cianuro, cadmio, mercurio y cromo (según estudios realizados por el programa de calidad de aire y RETC de la Comisión de Cooperación Ambiental) esto debido a las empresas maquiladoras que se ubican en Reynosa, Matamoros y Monterrey N.L. que realizan descarga de estos metales. (Organización Río Grande International Study Center (RGISC)). Se tiene el conocimiento que de poco más de 300 empresas maquiladoras que contaminan al Río Bravo, siete de estas operan en la Unión Americana, las que transfieren los peligrosos desechos tóxicos al caudal, sin que les importe el perjuicio que hacen a la producción agrícola de Tamaulipas, porque la gente del campo perteneciente al Distrito 025 bajo Río Bravo, se abastece de este caudal para regar sus cosechas”. (Periódico el Búho de Tamaulipas). Las empresas que causan este daño pertenecen a la zona noreste de México, cuyas maquiladoras son de recubrimientos con terminados metálicos, hay otros que fabrican químicos, mismos que transfieren sus desechos al caudal, importándoles poco el daño que al paso de los años han venido causando. Además de estos contaminantes tóxicos el Rio se encuentra contaminado con parásitos como Giardia lamblia, cryptosporidium y bacterias como la E. Coli, Coliformes fecales y totales (según estudios realizados por la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez). II.2 Área de estudio. El ejido el Refugio se localiza en el municipio de Matamoros y se encuentra a una mediana altura de 10metros sobre el nivel del mar. Las principales fuentes de 2 abastecimiento hidráulica son el río Bravo y el arroyo del Tigre que tiene presas derivadas, por medio de canales y drenes bañan la región. En noviembre del 2011 arranca el proyecto de sistema de agua potable en el Refugio, el proyecto consistente de un sistema múltiple, con un cárcamo de bombeo de agua cruda, toma de obra en el río Bravo y rebombeo, en el Refugio. Así como la construcción de las líneas de conducción, alimentación y abastecimiento. Y por último la red de distribución en el ejido El Refugio. En cuanto a la potabilización, la planta será compacta, de 10 litros por segundo a base de cloro y estará ubicada a un costado de la casa del Pueblo del Ejido Ranchito y Refugio, en un predio donado por la comunidad. III. JUSTIFICACIÓN La calidad del agua en cualquier asentamiento es muy importante, una calidad en consumo humano no aceptable puede provocar diferentes enfermedades. La falta de disponibilidad y abastecimiento puede frenar el crecimiento y el Desarrollo sustentable de cualquier estado o municipio. Debido a lo anterior es necesario buscar alternativas de disponibilidad y abastecimiento de agua potable para uso y consumo humano.La presente investigación lleva a cabo la re-utilización de agua de río a través de proceso fisicoquímico y en el cual se pretende que el agua cumpla con los límites máximos permisibles establecidos en la NOM-0127-SSA1-1994 para uso y consumo humano. Sabiendo que el uso de esta agua es para consumo humano y que debe cumplir con criterios como metales pesados, se realizó la siguiente investigación utilizando uno de los coagulantes más empleados para el tratamiento de aguas, el Sulfato de Aluminio Al2 (SO4)3, el cual a la vez nos ayudara a encontrar la dosis optima para su tratamiento evitando perjuicios a la salud humana. 3 IV.OBJETIVOS Determinar la dosis óptima de coagulante (Sulfato de Aluminio Al 2(SO4)3) para potabilizar el agua proveniente del Río Bravo con la finalidad de cumplir los límites máximos permisibles establecidos por la NOM-127SSA1-1994 en el rubro de uso y consumo humano. Determinar la dosis óptima de floculante (poliacrilamida) en el tratamiento y observar la influencia del mismo. Escalar la concentración de coagulante y floculante para la potabilización del agua. V. ALCANCES El proyecto está previsto para una duración de trece semanas. A continuación se presenta el desglose de las etapas conformado por tres etapas, las cuales son: Investigación teórica para fundamentar el proyecto, Puesta en marcha del tratamiento y Obtención y análisis de resultados. V.1 Investigación teórica En la etapa de investigación se recolecto toda la información necesaria para fundamentar el proyecto. La duración de esta etapa es de tres semanas. V.2 Puesta en marcha En esta etapa se caracterizo el agua cruda y se establecieron las concentraciones a las cuales se dosificaría el coagulante, se determino trabajar con el coagulante en forma líquida y en estado sólido para observar en qué estado se obtienen mejores resultados. Así como observar el comportamiento del tratamiento con ayuda de un floculante. El tiempo para llevar a cabo la puesta en marcha es de seis semanas. 4 V.3 Obtención y análisis de resultados De acuerdo a los resultados obtenidos en la etapa dos se analizara cual es la dosis optima para potabilizar el agua, en esta etapa se escalará la concentración de coagulante para una potabilizadora de 10lps. La duración de esta etapa es de cuatro semanas. VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA VI.1 Agua de Río. Un río es una corriente natural de agua que fluye con continuidad. Posee un caudal determinado, rara vez constante a lo largo del año, y desemboca en el mar, en un lago o en otro río, en cuyo caso se denomina afluente. La parte final de un río es su desembocadura. Algunas veces terminan en zonas desérticas donde sus aguas se pierden por infiltración y evaporación (CONAGUA). Los cursos fluviales que son muy estrechos, se seca en alguna parte del año, y/o tiene poco caudal, reciben los nombres de riacho, riachuelo, o arroyo (CONAGUA). Un río está compuesto por varias partes básicas. Por lo general, los ríos, especialmente los más grandes, se dividen en tres partes principales, de acuerdo con su capacidad erosiva y de transporte de sedimentos: El curso superior de un río es donde nacen los ríos. Generalmente, coincide con las áreas montañosas de una cuenca determinada. Aquí, el potencial erosivo es mucho mayor y los ríos suelen formar valles en forma de V al encajarse en el relieve. Algunas veces, cuando esta parte de un río se encuentra en un clima seco pueden denominarse barrancos, ramblas o torrentes. Generalmente, en el curso medio de un río suelen alternarse las áreas o zonas donde el río erosiona y donde deposita parte de sus sedimentos, lo cual se debe, principalmente, a las fluctuaciones de la pendiente y a la influencia que reciben con respecto al caudal y sedimentos de sus afluentes. A lo largo del curso medio, 5 la sección transversal del río habitualmente se irá suavizando, tomando forma de palangana seccionada en lugar de la forma de V que prevalece en el curso superior. Curso inferior: Es la parte en donde el río fluye en áreas relativamente planas, donde suele formar meandros: establece curvas regulares, pudiendo llegar a formar lagos en herradura. Al fluir el río, acarrea grandes cantidades de sedimentos, los que pueden dar origen a islas sedimentarias, llamadas deltas y también puede ocasionar la elevación del cauce por encima del nivel de la llanura, por lo que muchos ríos suelen discurrir paralelos al mismo por no poder desembocar por la mayor elevación del río principal (CONAGUA). VI.2 Río Bravo (Tamaulipas) El Río Bravo, o Río Bravo del Norte, conocido así en México, o el llamado Río Grande en Estados Unidos, tiene una longitud de 3.034 km, y drena un área de 607.965 km² (similar a la superficie de países como Botsuana o Ucrania). (Handbook of Texas online, s.v. “Río Grande) Administrativamente, de Colorado, Nuevo discurre por México y Texas y los por estados los estados estadounidenses mexicanos de Chihuahua, Coahuila, Nuevo León y Tamaulipas. (Handbook of Texas online, s.v. “Río Grande) VI.3 Geografía. El río Bravo nace en las montañas San Joaquín, en el estado de Colorado (EE.UU.), cerca de la ciudad de Silverton. Fluye a través del valle de San Luis hacia el sur pasando por Nuevo México a través de Albuquerque y Las Cruces hacia El Paso, Texas. (CONAGUA) Este río ha marcado desde 1848 la frontera entre México desde las ciudades de El Paso, Texas y Ciudad Juárez, Chihuahua, hasta el Golfo de México. Los cruces internacionales más importantes del río están en Ciudad Juárez con El Paso; Laredo, Texas con Nuevo Laredo, Tamaulipas; McAllen-Hidalgo, Texas 6 con Reynosa, Tamaulipas; y Brownsville, Texas, con Heroica Matamoros, Tamaulipas. El río Bravo nace en montañas a gran altitud y mantiene su flujo en una elevación alta durante gran parte de su longitud. El Paso está a 1.147 m sobre el nivel del mar. En Nuevo México el río atraviesa las fracturas del río Grande desde una cuenca hasta otras llenas de sedimentos, sosteniendo un frágil ecosistema en su base. Desde El Paso hacia el este el río fluye a través del desierto. Solamente en el río Grande Valley más abajo se explota una agricultura de irrigación extensiva, donde se tiene un ambiente subtropical. El río desemboca en un delta arenoso en el golfo de México. Durante períodos extensivos de clima seco el río cesa de fluir hacia el golfo. Millones de años atrás, el río Bravo desembocaba en el fondo de la Fractura del río Grande en el lago Cabeza de Vaca. Pero hace aproximadamente 1 millón de años que la corriente fue "capturada" y comenzó a fluir hacia el este. (Handbook of Texas online, s.v. “Río Grande) VI.4 Principales afluentes. Río Pecos, afluente estadounidense; Río Conchos, afluente mexicano; Río Sabinas, afluente mexicano. VI.5 Situación ambiental. El río Bravo es sobreexplotado, es decir, existen más consumidores del agua que la cantidad de agua misma que contiene el río. Desde el verano de 2003, una gran cantidad de agua desde la zona de Albuquerque hasta el Big Bend National Park ha estado seca. Los ecologistas temen que a menos que la precipitación pluvial regrese a sus niveles normales durante los próximos años y se restrinja el consumo de agua o se tomen medidas estrictas de conservación de la misma, el río Bravo pronto puede extinguirse. A pesar de su nombre (Grande) y longitud, el río Bravo no es navegable. (CONAGUA). 7 Debido a las características del agua de estudio un proceso fisicoquímico es el más adecuado este tiene como finalidad mediante la adición de ciertos productos químicos la alteración del estado físico de los coloides que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación. Mediante este tratamiento puede llegarse a eliminar del 80 al 90% de la materia total suspendida, del 40 al 70% de la DBO 5 y del 30 al 40% de la DQO. (Manual de Tratamiento de aguas negras, Limusa Noriega editores). Para romper la estabilidad de las partículas coloidales y poderlas separar, es necesario realizar tres operaciones: coagulación, floculación y decantación. Operaciones que se describen a continuación. VI.6 Coagulación. La Coagulación y Floculación son dos procesos dentro de la etapa de clarificación del agua. Ambos procesos se pueden resumir como una etapa en la cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flocs tal que su peso específico supere a la del agua y puedan precipitar. La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas. La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. Así se formaría, mediante el crecimiento de partículas coaguladas, un floc suficientemente grande y pesado como para sedimentar. (Duan, et al. 2003). El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo. 8 Este proceso remueve turbiedad, color, bacterias, algas y otros organismos, fosfatos y sustancias que producen olores y sabores. Frecuentemente las sustancias inorgánicas son las causantes de la turbidez y las orgánicas provocan color, olor y sabor. (Weber, et al. 1979). Los sólidos coloidales consisten en limo fino, bacterias, partículas causantes de color, virus, etc.; pero éstos no sedimentan después de periodos prolongados, y son causantes del color y turbiedad de las aguas. Los sólidos disueltos materia orgánica e inorgánica no sedimentan y causan problemas de color, olor, sabor y turbidez. VI.7 Modelos físicos de la coagulación Modelo de Helmholtz: Su fundamento se basa en dos superficies cargadas eléctricamente y separadas por una distancia „d‟ constante. Esta situación se puede modelar como un condensador simple con potencial en la superficie. Modelo de Gouy Chapman: Introduce el concepto de capa difusa. Para esto usa la ecuación de Poisson, lo que permite calcular las posiciones de equilibrio de los iones de la doble capa. Modelo de Stern: Señala que existe la posibilidad de coexistencia de ambas capas. Por tanto, es un modelo de doble capa eléctrica. Hay una capa fija de contraiones que está adherida a la superficie coloidal (en ella el potencial cae rápido). Parte de la capa difusa de contraiones está adsorbida a la superficie de la partícula coloidal y se mueve con ella. La capa fija se compara al modelo de un condensador eléctrico. La superficie del coloide más el solvente adherido forman una placa con carga /q 1/ + /q2/ y la capa difusa no adherida, la otra placa con carga q3 (ver figura 1). La figura 1.a explica este modelo: 9 Figura 1 Modelo de la doble capa. Existen tres potenciales de interés. El de superficie o de Nerst, el de la capa fija y el potencial zeta. Este último potencial es el que existe en el plano de cizalla y es calculable experimentalmente. El interés práctico radica en que la coagulación se puede intensificar si se disminuye la resultante de la interacción de energía entre las fuerzas coulómbica de repulsión y las de atracción de Van der Waals (o sea, el potencial zeta). El potencial electrocinético o zeta, es el potencial cae a través de la parte móvil de la doble capa que es responsable de los fenómenos electrocinéticos como la electroforesis (movimiento de partículas en un campo eléctrico a través de una solución estacionaria). El potencial superficial no es accesible por mediciones experimentales directas, esto puede ser calculado desde determinaciones de carga superficial. El potencial zeta se mide por mediciones de electroforesis. Típicamente es más bajo que el potencial de superficie, Ψ, calculado de la teoría de difusión de doble capa. El potencial zeta refleja la diferencia de potencial entre el plano de corte y la fase gruesa. La distancia entre la superficie y el plano de corte no puede precisarse rigurosamente (IMTA, 1992). Al acercar dos partículas con suficiente energía, como para vencer la barrera de energía, se favorece la acción de las fuerzas de atracción de Van der Waals y las partículas se unen. Esto sin embargo, es poco probable que suceda. 10 Si el potencial zeta disminuye a cero (punto isoeléctrico), los coloides pueden interactuar a una distancia menor a la establecida por la barrera de energía. Según sean los iones que rodean a la partícula, el potencial zeta puede disminuir por dos causas: Por neutralización de la carga neta (carga partícula – carga de la capa que se mueve con la partícula). Un cambio de los iones adheridos por otros de mayor valencia, reduce en la superficie el potencial del coloide. Compresión de la doble capa: Al aumentar la concentración del electrolito se incorporan iones de signo contrario en la capa difusa, comprimiéndola, disminuyendo las fuerzas repulsivas y con ello el potencial zeta. Para producir la desestabilización no es necesario que el potencial zeta llegue a cero, o lo que es lo mismo, logre el punto isoeléctrico. Este último hecho, sugiere que es necesario un modelo auxiliar que permita explicar esta observación y así, se presenta un modelo químico (IMTA, 1992). El potencial zeta es como ya se dijo una medida para determinar la carga del coloide. Para coloides en fuentes de agua natural con un pH de 5 a 8, el potencial zeta se encuentra entre los –14 y –30 milivolts; cuanto más negativo sea el número, tanto mayor será la carga de la partícula. A medida que disminuye el potencial zeta, las partículas pueden aproximarse cada vez más aumentando la posibilidad de una colisión. En un sistema convencional de clarificación con un pH de 6 a 8, los coagulantes proporcionan las cargas positivas para reducir la magnitud del potencial zeta. La coagulación se presenta de ordinario a un potencial zeta que es aun ligeramente negativo, de manera que por lo general no se requiere que la carga sea neutralizada por completo. Si se añade demasiado coagulante, la superficie de la partícula se cargará positivamente (un potencial zeta positivo), y la partícula volverá a dispersarse. Pueden necesitarse coagulantes en sistemas de tratamiento de agua con pH alto, como es el caso de ablandamiento con cal. Las partículas de carbonato de calcio también portan una carga negativa y pueden ser útiles coagulantes catiónicos para reducir la dureza 11 residual coloidal. Las medidas del potencial zeta se han empleado con éxito para controlar las dosis de coagulantes en las plantas. Sin embargo, las lecturas del potencial zeta por sí solas no son confiables para seleccionar el mejor coagulante. Los resultados obtenidos en la prueba de la jarra continúan siendo los mejores para seleccionar al coagulante (IMTA 1992). VI.8 Coagulantes. Son aquellos compuestos de hierro o aluminio capaces de formar un flóculo y que pueden efectuar coagulación al ser añadidos al agua. Por otra parte los ayudantes de coagulación son sustancias que producen poco o ningún flóculo al ser usadas solas, pero mejoran los resultados obtenidos con simples coagulantes. Los coagulantes más utilizados son: sulfato de aluminio, sulfato ferroso, y cal, cloruro férrico, sulfato férrico y aluminato de sodio. VI.9 Sulfato de Aluminio. Es el coagulante estándar usado en tratamiento de aguas. Su fórmula es Al2 (SO4)3 14 H2O con masa molecular de 600. Al añadir soluciones de sulfato de aluminio al agua, las moléculas se disocian en Al+3 y SO4-2. El Al+3 puede combinarse con coloides cargados negativamente para neutralizar parte de la carga de la partícula coloidal reduciendo así el potencial zeta a un valor en que la unión de las partículas puede ocurrir, pero también puede combinarse con los OH- del agua para formar hidróxido de aluminio. Al +3 + 3OH- → Al (OH)3 Al (OH)3 + iones positivos = {Al (OH)3} + 12 El hidróxido de aluminio es coloidal ya que absorbe iones positivos en solución para formar un sol cargado positivamente, que neutraliza la carga de los coloides negativos y ayuda a completar la aglomeración de los mismos. Casi siempre se forma un exceso de sol de hidróxido de aluminio y su destrucción y precipitación se logra mediante los iones sulfato y otros iones negativos que están en el agua. Con respecto a los coagulantes de hierro y a los de aluminio, los cationes metálicos reaccionan inmediatamente con el agua para formar iones metálicos hidroxilados e hidrógeno, los aniones permanecen libres o combinados con otros cationes. Con el alumbre ocurren las siguientes reacciones: Al+3 + H2O →Al (OH) +2 + H + Al+3 + 2 H2O →Al (OH)2+ +2H+ 7Al3+ +17 H2O →Al7 (OH) 17+4 +17H+ Al+3 + 3H2O →Al (OH)3 + 3H+ Los iones metálicos hidroxilados son adsorbidos por el coloide negativo y neutralizan su carga superficial permitiendo la coagulación. Los coloides también pueden ser barridos por los flóculos formados, al ser atrampados dentro de ellos durante la floculación y sedimentación. Debe tomarse en cuenta que si se excede la concentración de coagulante el fenómeno puede revertirse y resurgir el coloide negativo. Es importante que el coagulante sea distribuido a través de toda la masa de agua rápidamente con el fin de lograr el contacto con todas las partículas coloidales, esto se logra con una mezcla instantánea en el menor tiempo posible. 13 Durante la floculación, 10 a 30 min., se completa la aglomeración de las partículas y crecen los flóculos hasta una condición adecuada para que sedimenten. Al utilizar sulfato de aluminio, este reacciona con la alcalinidad del agua, formando flóculos de hidróxido de aluminio. Al2SO4 14H2O + 3Ca (HCO3)2 ↔ 2Al (OH)3 ↓ + 3 CaSO4 + 14 H2O + 6 CO2 La masa molecular del sulfato de aluminio es aproximadamente de 600. El bicarbonato de calcio representa alcalinidad la cual se expresa como Ca CO 3 con masa molecular de 100. El CO2 tiene masa molecular de 44. Deduciendo de la ecuación que cada mg/L de alumbre disminuye la alcalinidad del agua en 0.5 mg/L y produce 0.44 mg/L de CO2. La dosis de alumbre varía normalmente entre 5 a 50 mg/L para aguas naturales. Comúnmente el pH efectivo para coagulación con alumbre es de 5.5 a 8.0. (IMTA1992). VI.10 Dosificación de coagulante vs turbiedad y pH. Los coagulantes metálicos (alumbre: Al2(SO4)314H2O y sales de hierro), han sido los más empleados en la clarificación del agua. Estos productos actúan como coagulantes y floculantes a la vez. Añadidos al agua forman especies cargadas positivamente en el intervalo de pH típico para la clarificación que va entre 6 y 7. Como ya se vio esta reacción produce aluminio gelatinoso insoluble o hidróxido férrico. Los coagulantes metálicos son muy sensibles al pH y a la alcalinidad. Si el pH no está dentro del rango adecuado, la clarificación es pobre y pueden solubilizarse el hierro o el aluminio. Cuanto menor sea la dosis de coagulante, tanto mayor será la sensibilidad del flóculo a cambios en el pH. La figura 2 que se presenta a continuación explica este comportamiento. 14 Figura 2: Efecto de la dosificación del coagulante sobre las limitaciones en el intervalo de pH. VI.11 Floculación. La floculación es el proceso mediante el cual las moléculas ya desestabilizadas entran en contacto, agrandando los flocs de modo de facilitar la precipitación. La floculación puede presentarse mediante dos mecanismos: floculación ortocinética y pericinética, según sea el tamaño de las partículas desetabilizadas (en general todas las partículas se ven afectadas por ambos mecanismos). Las partículas pequeñas (< 1um) están sometidas a floculación pericinética, motivada por el movimiento browniano, mientras que las que presentan un tamaño mayor, están afectadas principalmente por el gradiente de velocidad del líquido, predominando en ella la floculación ortocinética (IMTA 1992). Cuando las partículas colisionan pueden suceder tres cosas: a) que una fracción de partículas se aglomere; b) otras partículas choquen pero no se unan y c) que partículas mayores previamente agregadas se rompan. La agregación de las partículas se incrementan al aumentar la agitación, sin embargo, si la agitación es 15 muy vigorosa, la turbulencia romperá el flóculo. Los principales mecanismos de desagregación o ruptura de flóculo son: Erosión de las partículas primarias de la superficie del flóculo. Fractura del flóculo en agregados más pequeños. Un buen proceso de floculación forma partículas de tamaño, densidad y dureza adecuados para que sean fácil de remover por sedimentación y/o filtración (IMTA, 1992). VI.12 Tipos de floculantes. De acuerdo al modo de como se aglomeran las partículas, los floculantes de clasifican en: Floculantes de contacto de sólido o manto de lodos. Floculantes de potencia o disipación de energía. Ambos pueden ser hidráulicos o mecánicos. En unidades de contacto de sólidos de flujo vertical se llevan a cabo procesos de floculación y sedimentación. En la zona de manto de lodos, parte baja del tanque, la floculación se controla por la concentración de sólido. El manto de sólido sirve para favorecer la aglomeración entre las partículas entrantes y las ya existentes generando mayor probabilidad de colisión. Por encima del manto de lodos se encuentra la zona de clarificación o sedimentación (IMTA, 1992). VI.13 Prueba de jarras. A nivel de laboratorio uno de los modelos más empleados es el equipo de prueba de jarras como elemento de control del proceso de coagulación orientando este proceso a la determinación y optimización de sus variables químicas (Manual del CEPIS). 16 La prueba de jarras permite ajustar el pH, hacer variaciones en las dosis de las diferentes sustancias químicas que se añaden a las muestras, alternar velocidades de mezclado y recrear a pequeña escala lo que se podría ver en un equipo de tamaño industrial. Al igual que otras pruebas analíticas, el método ha sido estandarizado para facilitar la comparación y convalidación de los resultados (Manual del CEPIS). VI.14 Descripción del equipo de prueba de jarras. Normalmente estos equipos constan de: Agitador mecánico provisto de seis paletas, capaz de operar a velocidades variables de 0 a 100 RPM. Un iluminador de flóculos localizado en la base. Vasos de precipitados con capacidad de 1000 ml de cristal. Figura 3: Agitador de propelas: Equipo de laboratorio para prueba de jarras. 17 VII.PLAN DE ACTIVIDADES 18 VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS Para la realización del proyecto se contará con los siguientes recursos disponibles. Recursos materiales: Equipo nombrado como agitador de propelas para el tratamiento de agua. Espectrofotómetro y digestor para la prueba de Demanda Química de Oxígeno, así como balanza analítica. Equipo Hach DR/2010 para medir color y turbidez. Material diverso de vidrio. Cámara digital que servirá como evidencia de las pruebas realizadas. Recursos humanos: Personal de ESAL el cual realiza la toma de muestra. Personal de laboratorio de la UTEQ. IX. DESARROLLO DEL PROYECTO IX.1 Investigación teórica: Se realizó la investigación documental necesaria para fundamentar el proyecto, los temas recopilados fueron los siguientes: Coagulación química. Floculación. Prueba de jarras. IX.2 Recolección de muestra. Se realizó el muestreo de acuerdo a la NOM-001-SEMARNAT-1996 en el Río Bravo a la altura del ejido el Refugio en Matamoros, Tamaulipas, extrayendo 60litros de agua para realizar las pruebas de color, turbidez, dureza, cloruros, pH, conductividad eléctrica, así como para las pruebas de jarras. 19 Una porción de la muestra (1litro) fue preservada y transportada a laboratorio en una hielera a 4°C. IX.3 Caracterización del agua cruda. Se llevaron a cabo los análisis de laboratorio correspondientes a la NOM-127 SSA1-1994 para el rubro de uso y consumo humano, con el objetivo de establecer los parámetros de entrada. Figura 4: Agua cruda sin tratamiento. Los análisis realizados fueron los siguientes: Demanda Química de Oxígeno (DQO) Se llevo a cabo de acuerdo a la NMX-AA-030-2000 por método espectrofotométrico. Sólidos suspendidos totales. Se llevo a cabo de acuerdo a la NMX-AA-034-SCFI-2004 20 Color. Se llevo a cabo la medición en un espectrofotómetro reportando en uPtCo (unidades de Platino-Cobalto). Turbidez. Se realizó la medición en el espectrofotómetro reportando en NTU (unidades nefelométricas de turbidez). Dureza. Se llevo a cabo de acuerdo a la NMX-AA-072-SCFI-2001 Cloruros. Se realizó la medición de acuerdo a la NMX-AA-072-SCFI-2001 Prueba de jarras. Este proceso consiste en la simulación de las condiciones de coagulaciónfloculación de una planta de tratamiento de aguas residuales, determinando las variables que afectan la remoción de los contaminantes (color, turbiedad), así como la dosis y el tipo de coagulante empleado, el efecto del pH y la temperatura. Se llevó a cabo la prueba de jarras, con la adición de diferentes concentraciones de coagulante (ver tabla 1: Concentración de Sulfato de Aluminio y polímero), midiendo los parámetros de turbidez, pH, conductividad eléctrica y color, a los 45 minutos. Para realizar la prueba se empleo el sulfato de aluminio al 57% de pureza con respecto al contenido de Al2(SO4)318H2O 21 Tabla 1: Concentración de Sulfato de Aluminio y polímero. Al2(SO4)3 (mg/L) PAM(mg/L) 5 7 10 13 15 18 20 25 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 - - - La prueba fue realizada utilizando para ello vasos de precipitados de 1000ml de capacidad, en el equipo de propelas tomando en cuenta la metodología recomendada por el manual del CEPIS (1981). Procedimiento realizado: 1. Se realizaron los análisis antes mencionados para caracterizar la muestra de agua, al momento de la prueba se mide pH, conductividad, turbidez, color al agua cruda. 2. Se peso la cantidad en gramos del coagulante a utilizar de acuerdo a la tabla 1 y se tomo el volumen de coagulante con ayuda de jeringas (Sulfato preparado al 10%). 3. Se midieron 1000ml de la muestra de agua cruda con una probeta de plástico y se colocó en el vaso de precipitado. 4. Se colocaron los 6 vasos en el equipo de propelas, incluyendo en la en la primera corrida una jarra con el agua cruda como blanco (sin adición de coagulante). 5. Se adiciono la cantidad correspondiente de coagulante a cada jarra cerca del eje de la propela. 6. Se deja con agitación rápida a 100 rpm durante 60, transcurrido este tiempo bajar el gradiente de velocidad a 40 rpm durante 10 min. 7. Se adiciona la cantidad de floculante de acuerdo a la tabla 1. 22 8. Una vez transcurridos los 10 min se suspende la agitación y se dejo sedimentar durante 45 min. 9. Después de transcurrido el tiempo de sedimentación realizarla medición de color, turbidez, pH y conductividad eléctrica. 10. A cada jarra se le realizó el parámetro de DQO, Dureza y Cloruros y se seleccionó de acuerdo a los porcentajes de remoción la mejor jarra. Figura 5. Sedimentación después del periodo de floculación. 23 X. RESULTADOS OBTENIDOS X.1 Muestreo. Durante el muestreo al agua del Río Bravo (altura de Matamoros, Tamaulipas) se registraron los siguientes parámetros (Ver tabla 2: Medición de parámetros de campo del agua cruda): Tabla 2: Medición de parámetros de campo del agua cruda. Color Turbidez (uPtCo) (FAU) 335 116 X.2 pH 7.86 CE SST Dureza Cloruros (µs/cm) (mg/L) (mg/L) (mg/L) 1707 110 558 310 Resultados de la remoción de los contaminantes en el agua tratada. Al termino de la prueba de jarras y habiendo evaluado que concentraciones de coagulante fue la más optima se realizo el análisis fisicoquímico del agua tratada para evaluar la eficiencia de remoción de los contaminantes (ver tabla 3: Resultados de la eficiencia de remoción de los contaminantes en el agua tratada). Tabla 3: Resultados de la eficiencia de remoción de los contaminantes en el agua tratada. Agua cruda Agua Tratada Al2(SO4)3 % de Remoción SST mg/L Cloruros mg/L Dureza mg/L Color UPtCo Turbidez NTU pH CE µS/cm 110 310 558 335 116 7.86 1707 10 292 518 10 1 6.52 1990 98 5.8 7.17 97 99 - NA NA: No aplica, ya que en estos valores se presento aumento de parámetro. 24 Se realizo una corrida con ayuda de un floculante para prevenir que el floc formado se rompa en el proceso, una vez conocida la concentración del mismo se evalúa el porcentaje de remoción (ver Tabla 4 Resultados de la remoción de contaminantes con ayuda de floculante). Tabla 4 Resultados de la remoción de contaminantes con ayuda de floculante. Agua Cruda Agua tratada Al2(SO4 )3 + PAM (mg/L) % de remoción X.3 SST mg/L Color UPtCo Turbidez NTU pH CE µS/cm 110 335 116 7.86 1707 60 4 1 6.48 1960 45.45 98.4 99 - NA Resultados de las pruebas de jarras. Variación del pH En la prueba de jarras para el agua tratada con sulfato de aluminio el pH presentó variaciones en el intervalo de 5.83 a 7.17 unidades, acercándose al valor inicial de agua cruda que se encontraba en 7.8 unidades. Tomando en cuenta que el Sulfato de Aluminio trabaja mejor en el intervalo de pH de 5.5 a 8 unidades no era necesario modificar este parámetro puesto que el agua se encontraba dentro del rango óptimo en el que trabaja el coagulante; sin embargo se opto por modificarlo para ver el comportamiento del mismo en la prueba, sin embrago después de la prueba el pH se vio afectado fluctuando entre 4 a 6.38 unidades. La variación de este parámetro en las concentraciones de 5 a 18 mg/L de Sulfato de Aluminio se mantuvo prácticamente constante. El pH para la prueba del agua con Sulfato y poliacrilamida se mantuvo en 6.30unidades. 25 Variación de la conductividad eléctrica En el agua tratada con sulfato de aluminio la conductividad se mantuvo en un rango de 1920 a 2410 μS/cm, para el Sulfato de Aluminio con la poliacrilamida la conductividad se mantuvo en 1960 μS/cm, este incremento se atribuye a las características químicas del coagulante adicionado. Variación del color Este parámetro tuvo una variación importante con respecto al agua cruda que presentaba 335 uPt/Co llegando a tener hasta 10 unidades y 4 unidades con ayuda del polímero. Es importante mencionar que la remoción que se obtuvo con el sulfato de aluminio fue del 97%, quedando en 10 u Pt/Co, y del 98.4% quedando 4 u Pt/Co para el Sulfato de Aluminio con ayuda de la poliacrilamida, esto nos indica que es importante tomar en cuenta trabajar con floculantes para obtener mejores resultados. Ya que este parámetro reporta en cierta forma la presencia de materia orgánica pues las partículas causantes del color son en su mayoría son orgánicas como los coloides, este parámetro nos indica que el tratamiento es efectivo, ya que se logra desestabilizar las partículas coloidales (difíciles de sedimentar) para su posterior decantación. Variación de la turbidez En el agua tratada con sulfato de aluminio la turbidez se mantuvo de 5 a 1 uPt/Co para las concentraciones de 5 a 18 mg/L de Sulfato de Aluminio. Para el Sulfato con ayuda de la poliacrilamida se obtuvieron resultados de 1uPt/Co. 26 Se realizaron pruebas dosificando el Sulfato de Aluminio de forma sólida sin embargo los valores de turbidez fueron significativamente mayores que en la dosificación líquida, presentando valores de 13 a 61 uPt/Co para concentraciones de 31.2 a 250mg/L de Sulfato de Aluminio. Se logro observar que al dosificar el Sulfato de Aluminio sólido el tiempo de contacto no era el suficiente como para que este se disolviera en el agua, llegando a ser una dosificación excesiva del mismo. Los porcentajes de remoción de turbidez fueron del 99% para el Sulfato de Aluminio, este mismo porcentaje se presento para la dosificación del Sulfato con ayuda de la poliacrilamida, llegando a tener hasta el 100% de remoción de este parámetro (0 uPt/Co). XI. ANÁLISIS DE RIESGO Los recursos humanos, materiales y financieros se asignaron de acuerdo al tiempo que se iban requiriendo, no obstante existen limitaciones las cuales por razones temporales aplazaron el cumplimiento de ciertas actividades. Se debe tener en cuenta que las muestras se deben recolectar, preservar y almacenar (dependiendo el parámetro a realizar) como lo marca la NMX, esto para evitar que la muestra no pierda sus características originales. La muestra debe conservar las concentraciones relativas de todos los componentes presentes en el material original, la preservación y el manejo adecuado durante el transporte coadyuvan a evitar cambios significativos en su composición antes del análisis. 27 XII. CONCLUSIONES El tratamiento fisicoquímico realizado para el agua del Río Bravo resultó favorable para la remoción de dureza, cloruros, color y turbidez. Los resultados obtenidos con la dosificación usando Sulfato de aluminio fueron buenos y se lograron obtener remociones del 98%, sin embargo se opto por dosificar de igual forma un agente floculante, esto para obtener un floculo más grande y de buen tamaño que no se vea afectado en los tanques de sedimentación. Los porcentajes de remoción con ayuda de un floculante fluctúan entre el 99% y 100%. Por otro lado podemos decir que el sulfato de aluminio dosificado en forma líquida resulta mejor coagulante en cuanto a remociones y tiempo de reacción, sin embargo debido a los estudios realizados sobre los perjuicios a la salud del aluminio resulta importante dosificar en forma adecuada, ya que con una mala dosificación se puede obtener Aluminio residual que puede llegar a rebasar los límites permisible establecidos por la norma. Hay que tener en cuenta que al dosificar en exceso la poliacrilamida se forman monómeros de acrilamida, esta es neurotóxica, afecta a las células germinales y altera la función reproductora (Según la OMS, 2003). A pesar de que el agua se encontraba dentro del rango de pH al cual el Sulfato de aluminio trabaja de mejor manera se opto por modificarlo para observar el comportamiento del mismo en la prueba (este parámetro se modifico ya que los parámetros analizados varían de acuerdo a la estación del año y a la época de secas y de lluvia), sin embargo los resultados obtenidos no fueron favorables, ya que se logro observar que a cierto pH el agua no presentaba ninguna remoción ni formación de floc teniéndose índices de Willcomb de cero, es decir ningún signo de aglutinación. 28 XIII. RECOMENDACIONES Para la realización de este proyecto es necesario tomar en cuenta algunos factores, por ejemplo: la cantidad de materia orgánica en la muestra de agua, es necesario realizar la prueba de jarras en los 3 a 4 días siguientes a su recolección ya que el agua se fermenta, provocando que en el proceso fisicoquímico el lodo se flote, interfiriendo en el mismo. Es importante mencionar que los parámetros obtenidos como color, turbidez, sólidos, pH y Conductividad eléctrica por si solos no indican que el agua es apta para consumo humano, es indispensable realizar el análisis completo de los parámetros indicados en la NOM-127-SSA1-1994, para verificar que dichos parámetros se encuentren dentro de los máximos permisibles establecidos. XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS American Water Works Associationn. (1990). Calidad del agua y tratamiento. A handbook of community water supplies, 4ta. Edición. Editorial Mc Graw Hill. Pp. 91. 194, 195. Duan, J. and Gregory J. (2003). Coagulation by hydrolyzing metals salts. Advances in collid and interface science, 10:475-502. Enlíneadirecta.info Enlineadirecta.info/nota.php?art_ID=137979 Manual del Agua. Su naturaleza, Tratamientos y Aplicaciones (1979).F. Kemmer& J. McCallion USA.Ed. Mc Graw Hill Investigación sobre procesos de coagulación. Floculación de aguas en plantas de tratamiento, Enrique Causa & Carlos Pinto, Santiago Chile, 1794. IMTA (1992). Manual de aforos, Comisión Nacional de Aforos, México. 29 OMS, 2003. Acrylamide in drinking-water. Documento de referencia para la elaboración de las guías de la OMS para la calidad del agua potable. Ginebra (Suiza). Organización Mundial de la Salud (WHO/SDE/WSH/03.04/71). Weber, W.J. (1979). Control de calidad del agua, procesos físico-químicos, Editorial Reverte, S.A. www.informador.com.mx. Periódico en línea. Sin solución la contaminación del Río Bravo. www.elbuhodetamaulipas.com Periódico en línea. Contaminación del rio Bravo. 30