Control de la dosificación de coagulante mediante el potencial de flujo

Control de la dosificación de coagulante
mediante el potencial de flujo
Ensayo con aguas residuales de torres de enfriamiento y lavado de
escorias
Por: Moreira M.T.; Lucas T. y Lema J. M.
Dpto. Ingeniería Química. 15706. Universidad de Santiago de Compostela, España. Tel.
981 - 563100
ENDESA. 15320. As Pontes de García Rodríguez, España.
1. Introducción
Las suspensiones coloidales en las aguas residuales se caracterizan por
presentan una superficie con carga negativa. El potencial en la superficie de la
partícula se conoce como el potencial de Nerst, mientras que el potencial
electrostático correspondiente al plano de corte se refiere como Potencial Zeta
(Figura 1). Dicho potencial es el responsable del comportamiento
electrocinética de las partículas. Cuando la repulsión sobrepasa a la atracción
interparticular. existe una barrera energética de potencial que impide el
contacto entre las partículas y evita su agregación, esto ocurre cuando el
Potencial Zeta es superior a la fuerza jónica. Por el contrario, la adición de
coagulante hace que la fuerza iónica aumente y el Potencial Zeta decrezca,
con lo que la barrera de potencial es menor y el contacto ocurre más
fácilmente con lo que se favorece la coagulación (Igarashi y Nishizawa,
1992). Se ha intentado correlacionar el Potencial Zeta con la coagulación. La
evidencia experimental indica que la coagulación se produce previamente a
que el Potencial Zeta se reduzca a cero, para valores ligeramente negativos.
En la práctica, debe establecerse frecuentemente una relación empírica entre
el Potencial Zeta y la coagulación y así convertirse en un parámetro de control
de la cantidad de coagulante necesario para neutralizar dichas cargas
negativas.
Fig. 1. Esquema de una partícula coloidal.
Se puede medir el Potencial Zeta por medidas indirectas con diferentes
métodos electrocinéticas, entre los cuales el Potencial de Flujo, definido como
el campo eléctrico generado cuando se fuerza el paso de un fluido por una
superficie con carga estacionaria, presenta una correlación directa con el
Potencial de Flujo (Elicker et al., 1992). Por lo tanto, los efectos encontrados
sobre el Potencial Zeta debido a la dosificación de coagulante se pueden
referir de igual forma al Potencial de Flujo. El detector de Potencial de Flujo
se ha aplicado previamente a la determinación de las propiedades
electrocinéticas de partículas en suspensión y se ha propuesto como parámetro
en la dosificación de polielectrolito en la floculación de aguas residuales y
lodos (Cole y Singer, 1984; Dentel y Wehnes, 1988; Dentel y Kingery, 1989;
Igarashi y Nishizawa, 1993; Dentel y Abu-Orff, 1993).
2. Procedimiento experimental
2.1. Características del agua residual
Se analizó la aplicación del Potencial de Flujo como medida de control en la
dosificación de coagulante para aguas residuales procedentes de torres de
enfriamiento y lavado de escorias de una Central Térmica (ENDESA, As
Ponles, A Coruña). Las características de agua residual se corresponden con
una concentración inapreciable de metales disueltos (Fe, Al, Mn) con
concentraciones inferiores a 2 mg/l. concentración variable de sólidos en
suspensión totales de naturaleza inorgánica (100-300 mg/l), valores de
conductividad entorno a 400-500 ~ S/cm, carbono orgánico total (COT) de 12 mg/l, turbidez 40-60 NTU, Potencial de Flujo airededor de -2,25 mV y pH
neutro.
2.2. Medidas analíticas
pH. Las medidas de pH se realizan utilizando un electrodo CRISON, modelo
micropH 2002. Previamente, se realiza el calibrado utilizando disoluciones
tampón CRISON de pH 4,00 y pH 7,02 a 20 °C. La sensibilidad del medidor
es de ±0.0l unidades de pH.
Conductividad. Las medidas de conductividad se realizan utilizando un
electrodo CRISON, modelo microCM 2201.
Sólidos en suspensión totales (SST). Para este análisis se utiliza el método 209
C, descrito en el Standard Methods (1985). Los SST se determinan por
filtración de un volumen de muestra conocido sobre filtros de fibra de vidrio
WHATMAN, de 4,7 cm GF/C y posteriormente secados a 105-110 °C. La
diferencia de peso de los filtros antes y después de la filtración permite
calcular el contenido en SST.
Análisis de metales por Espectrometría de Absorción Atómica. El análisis de
metales se realizó en un espectrofotómetro de absorción atómica Varian
Spectraa 300-400, por aspiración directa. Las condiciones de medida para
cada elemento son las especificadas en el Standard Methods, método 303.
2.3. Medida del Potencial de Flujo. Detector de Potencial de Flujo (DPF)
El detector de Potencial de Flujo (DPF) consiste en un sensor, que está
formado por un pistón de desplazamiento oscilante en un cilindro de extremo
ciego y componentes eléctricos para el procesado de la señal (Figura 2). Los
coloides presentes en el agua se adhieren momentáneamente al pistón y la
superficie del cilindro por fuerzas de Van der Waals, de tal forma que las
características aparentes de estas superficies son aquéllas de los materiales
coloidales. El pistón fuerza el movimiento del fluido en el espacio anular entre
el pistón y el cilindro, por lo que los iones de la capa difusa se desplazan
respecto a los coloides unidos al pistón. El potencial de corriente resultante,
referido como Potencial de Flujo, se detecta por los electrodos en los puntos
opuestos del anillo y se amplifica a una salida digital. Más detalles de diseño
del DPF se encuentran en trabajos previos (Dentel y Kingery, 1988). El DPF
utilizado fue un modelo SNF Floerger. Este tiene un rango de medida entre 9,99 y 9,99 mV, con ajuste a cero en este rango. El tiempo de estabilización
para la medida fue de aproximadamente 5 min.
Fig. 2. Esquema del detector de potencial de flujo (DPF) (Dentel yAbu-Orff,
1993).
La medida del Potencial de Flujo se realiza sobre agua continuamente agitada,
ya que, de otra forma, obtendríamos valores que decrecerían hasta llegar a un
valor aproximadamente constante debido a la decantación de los sólidos en
suspensión en el fondo del vaso. Hay que tener en cuenta que dicho aparato ha
sido diseñado para una operación en continuo de modo que la agitación se
hace imprescindible.
En el experimento de adición de coagulante, después de añadir diferentes
cantidades de coagulante, se neutralizó el agua con NaOH a pH 7, lo que
correspondía a una zona óptima de precipitación de ambos coagulantes.
Posteriormente, se añadió un polielectrolito aniónico para llevar a cabo la
floculación. El valor de turbidez mínima en el sobrenadante tras 1 h se eligió
como punto de consigna, al cual se le asignó un valor determinado de
Potencial de Flujo. Dicho valor se consideró como referencia para el control
de la dosificación de coagulante.
3. Resultados y discusión
En un primer análisis, se ha caracterizado el valor del Potencial de Flujo para
los diferentes tipos de agua de entrada a la planta de tratamiento.
3.1. Potencial de Flujo de los diferentes tipos de agua
En la Tabla 1 se presentan los datos del Potencial de Flujo y concentración de
metales para los diferentes tipos de agua de entrada a la planta de tratamiento:
agua procedente del vertido de la Central, agua de Mina y Escombrera y agua
de Entrada de características intermedias.
El primer tipo de vertido, procedente de la Mina y de escorrentías de la
Escombrera, se produce a partir del fenómeno característico de drenaje ácido
de mina por oxidación de la pirita y por efecto de lavado sobre los terrenos
recuperados de la Escombrera. Dicho vertido aparece como consecuencia de
la pluviometría abundante de la zona, lo que, en ocasiones, conlleva un caudal
elevado. Dicha agua presenta un pH ácido, contenido en sólidos variable,
dependiendo del arrastre de sólidos en la Mina, un contenido importante de
metales en disolución, fundamentalmente, Fe y Al. El segundo tipo de vertido,
o agua de Central, procede fundamentalmente de las torres de enfriamiento y
del lavado de escorias y del parque de carbones y mantiene un caudal casi
constante, por lo que sólo aparecerá como mayoritario en épocas de estío,
situación típica del verano. Se caracteriza por un pH cercano a 7, bajo
contenido en sólidos, principalmente escorias y polvo de carbón, fuerte color
negruzco y bajo contenido en metales. En períodos variables y durante todo el
año existe predominio de agua de características intermedias, con incidencia
parcial de ambos vertidos y de características similares a la considerada en el
presente estudio.
Como se muestra en la Tabla 1, el Potencial de Flujo está claramente
influenciado por la concentración de metales, lo cual confirma, en principio, la
hipótesis de su validez como sistema que permita controlar la dosis de
coagulante. De esta forma, el agua con mayor contenido en metales presenta
un valor de Potencial de Flujo de -0,73 mV frente a -2,40 mV en agua de la
Central, lo que indica que la presencia de metales desplaza el Potencial de
Flujo hacia valores más positivos. (Tabla 1).
Tabla 1
Potencial de Flujo y contenido en metales de aguas de Central, Mina y
Entrada.
AGUA
P.FIujo (mV)
Fe (mg/l)
Al (mg/l)
Mn (mg/l)
Zn (mg/l)
Central
-2,40
0,0
0,2
<0,1
<0,1
Mina
-0,73
22,2
0,6
5,9
0,3
Entrada
-1,51
11,8
0,2
3,4
0,2
Posteriormente a la medida del Potencial de Flujo, se ajustó el pH a 7,0
añadiendo 0,75 mg/l de polielectrolito PROSEDIM AS-24 en ensayo tipo Jar
Test. El valor del Potencial de Flujo en el sobrenadante tras 1 h presenta una
variación hacia valores más negativos, por la eliminación total de los metales,
como se evidencia en la Tabla 2. Observamos una menor turbidez en el agua
decantada del agua de entrada y de Mina ya que al tener conjuntamente
metales disueltos y sólidos en suspensión se forma un flóculo bastante estable,
mientras que en el caso de agua de Central, con práctica ausencia de metales
que actuarían como coagulante, presenta una alta turbidez. La presencia de
metales en el sobrenadante tras la floculación es prácticamente nula en todos
los casos. (Tabla 2).
Tabla 2
Potencial de Flujo y contenido en metales de aguas de Central, Mina y
Entrada.
AGUA
P.Flujo (mV)
Fe (mg/l)
Al (mg/l)
Mn (mg/l)
Zn (mg/l)
Central
-2,60
0,0
0,0
<0,1
0,0
Mina
-1,67
0,0
0,0
0,3
<0,1
Entrada
-1,90
0,0
0,0
2,4
<0,1
El interés de la aplicación del detector de Potencial de Flujo, como posible
control de la dosificación óptima de coagulante, se centra en aquellas aguas
con contenido en sólidos en suspensión bajo o medio y concentración de
metales disueltos inapreciable. A fin de optimizar la coagulación, se debe
tener en cuenta todas las variables interrelacionadas, como el pH, la turbidez,
contenido en metales disueltos y coagulante utilizado, con el objeto de
predecir la concentración óptima de coagulante.
3.2. Efecto del pH y de la turbidez
El pH es la variable más importante a tener en cuenta en el proceso de la
coagulación. Para cada tipo de agua, existe una zona de pH para la cual la
coagulación tiene lugar rápidamente, la cual es función del coagulante
utilizado, de su concentración y de la composición del agua tratar. Para las
sales de aluminio y hierro, la zona de pH óptimo se extiende de 5,5 a 7,8. Para
ciertos tipos de agua, puede ser necesario corregir el pH con la ayuda de
diferentes reactivos (ácidos, cal o sosa) o bien aumentar la cantidad de
coagulante. Cuando el pH de operación es óptimo, los productos solubles de
aluminio o de hierro son prácticamente inexistentes.
En el presente ensayo de análisis de la Influencia del pH, se parte de agua de
Central a la que se mide el valor del Potencial de Flujo a distintos pH. El
ajuste del pH se realiza con ácido sulfúrico o bien con cal. El pH posee una
clara influencia en el Potencial de Flujo, observándose una disminución en el
mismo a medida que aumenta el valor de pH (Figura 3).
Fig. 3. Variación del Potencial de Flujo con el PH (•) y la turbidez (o) para
agua de Central.
Para analizar la Influencia de la turbidez sobre el Potencial de Flujo, se parte
de agua de Central de diferente turbidez y contenido en sólidos en suspensión,
obtenido mediante adición de diferentes porcentajes de agua bruta
previamente filtrada, a fin de no introducir variaciones en características tales
como pH y Conductividad. Como particularidades generales se conoce que
cuando aumenta la turbidez, es necesario aumentar la cantidad de coagulante.
Este aumento no varía siempre de forma lineal en función del aumento de la
turbidez. Cuando la turbidez es muy elevada, la cantidad de coagulante
necesario es relativamente pequeña, ya que la probabilidad de colisión de las
partículas es muy elevada. Por el contrario, cuando la turbidez es pequeña, la
coagulación es muy difícil. Como muestra la Figura 3, el valor de Potencial de
Flujo del agua de Central no presentó cambios apreciables al variar la turbidez
en el rango considerado.
3.3 Efecto del contenido en cationes
Se parte de agua de Central a la cual añadimos diferentes cantidades de
coagulante en forma de FeCl3 o Al2(SO4)3 ajustando después a un valor de pH
3, para así observar la influencia de dichos metales en forma disuelta.
La influencia de metales disueltos sobre el Potencial de Flujo se presentan en
la Figura 4. A la vista de los resultados, obtenemos una respuesta clara, tras la
adición de ambos coagulantes, con tendencia a un valor asintótico al aumentar
la concentración.
Fig. 4. Variación del Potencial de FIujo con el contenido en metales disueltos
en agua de Central. Símbolos: (O) FeCl3, (o) Al2(SO4)3
3.4. Efecto de la adición de coagulante
La elección de coagulante es un parámetro fundamental en las características
de la coagulación. No existe una predicción teórica sobre el coagulante óptimo
y la dosis adecuada a cada problema. Las teorías que explican los diferentes
mecanismos de desestabilización de las partículas coloidales no están lo
suficientemente desarrolladas para que se pueda resolver un problema tan
complejo, siendo si bien útiles a la hora de la planificación de los ensayos de
laboratorio y de la interpretación de los resultados obtenidos.
Se realizará la adición de los dos tipos de coagulante añadidos, anteriormente,
pero neutralizando posteriormente a un valor de pH de 7,0, valor que
corresponde a una zona óptima de la curva de precipitación. Por otra parte. se
realizará la neutralización con NaOH, para minimizar el posible efecto
coagulante de la cal. debido a su mayor relación carga/radio. Tras la
neutralización, se procede a la floculación con dosis de 0,75 mg/l de
polielectrolito PROSEDIM AS-24, de modo que a partir de los valores finales
de turbidez del agua decantada, asignaremos al valor mínimo de turbidez, un
valor de Potencial de Flujo de modo que este puede ser considerado como
valor de referencia para determinar la dosis óptima de coagulante.
Tras la adición de FeCl3 como Coagulante se observa una variación hacia
valores más positivos del Potencial de Flujo y una disminución de la turbidez
en el agua clarificada, si bien el valor alcanzado de Potencial de Flujo, se
repite para dosis de coagulante inferiores (Figura 5). Esto implica que la
medida de Potencial de Flujo cuando se utiliza FeCl3 como control en la dosis
de coagulante es poco fiable para aguas procedentes de un Central Térmica.
Fig. 5. Variación del Potencial deFlujo (O) y de la turbidez final (o) con el
coagulante FeCl3 (PH 7,1, Turb. = 37 NTU, SP = -1,64 mV).
Se realiza la prueba de adición de Al2(SO4)3 como coagulante. Los resultados
se presentan en la Figura 6. La tendencia observada es la de una variación
hacia valores más positivos con la adición de coagulante, de modo que el
óptimo se sitúa sobre -0,3 mV. Un exceso de coagulante desplazó el Potencial
de Flujo hacia valores más positivos, alcanzándose finalmente un valor
asintótico cercano a cero y ligeramente negativo. La adición de Al2(SO4)3
supone una disminución de la turbidez más marcada, lo que significa que
dicho compuesto es el coagulante más adecuado para este tipo de aguas y el
que presenta una variación más definida con el Potencial de Flujo.
Fig. 6 Variación del Potencial de Flujo (O) y de la turbidez final (o) con el
coagulante Al2(SO4)3 (pH = 7,3, Turb. 100 NTU, SP=-2,38 mV).
4. Conclusiones
A la vista de los resultados se deduce que el Potencial de Flujo está
fuertemente influenciado por el pH y el contenido de metales en disolución,
presentando ambos parámetros tendencias opuestas. Así el aumento del pH
desplaza el Potencial de Flujo hacia valores más negativos, mientras que
aguas con importante contenido en metales presentan valores más positivos.
La posible utilización del Potencial de Flujo como controlador de coagulante,
implica la necesidad de conseguir situaciones en régimen de agua de entrada
de pH constante y bajo contenido de metales disueltos. La uniformidad en el
valor del pH de entrada ha de asegurarse a fin de lograr un funcionamiento
óptimo del DPF, ya que un cambio importante en el pH de entrada supone una
variación importante del Potencial de Flujo. La elección del tipo de coagulante
también es un parámetro importante a considerar en cada tipo de agua,
encontrándose que en este caso particular el Al2(SO4)3 presenta una mejor
respuesta de control. En condiciones estables de caudal y pH, el Potencial de
Flujo proporcionará un buen control de coagulante. En presencia de exceso de
coagulante y en condiciones de pH que aseguren su precipitación, el Potencial
de Flujo presenta un valor prácticamente constante.
Agradecimientos
Este trabajo fue financiado por Feuga y Endesa proyecto 222/93.
5. Referencias
(1) Cole, A.I., y Singer, P.C.; 1984. J. Env. Eng. ASE, III.501.
(2) Dentel, S.K., y Abu-Orf, M.M.; 1993.Water Sci.Tec., 28, 169.
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