Transcript
MEJORAMIENTO MEDIANTE OZONO DE LA COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN EN AGUA RESIDUAL Altamirano Corro Juan Manuel, Orta de Velásquez María Teresa, Monge Ramírez Ignacio Instituto de Ingeniería-UNAM Edificio 5, Coordinación de Ingeniería Ambiental. Ap , Coyoacán, CP 04510, México. La ozonación es una tecnología que ha probado su eficiencia en la desinfección de agua, pero que requiere de un alto costo en la inversión. Sin embargo se vuelve atractivo cuando su aplicación representa ahorro en productos químicos y disminución en la producción de lodos. Se llevaron a cabo pruebas experimentales utilizando como modelo de estudio el agua residual cruda del gran canal de la ciudad de México. Mediante pruebas de jarras se simuló un tratamiento primario avanzado utilizando sulfato de aluminio como coagulante primario y 2 tipos de polielectrolitos (uno aniónico -comercial- y otro anfotérico -UNAM-) en presencia de pequeñas dosis de ozono a diferentes tiempos de contacto. Al final del tratamiento las muestras sedimentadas fueron filtradas para simular la filtración en una planta real. El efecto del ozono en la coagulación-floculación, así como en el proceso de desinfección fue evaluado mediante los parámetros correspondientes. Los resultados de este estudio indican mejoras significativas en la calidad del efluente, estimándose como dosis óptima de ozono transferido 3.5 mg/l. De esta manera se logró una reducción importante en la cantidad de coagulante utilizado ( 20%) y por ende del lodo producido (20%-30%); un incremento en la velocidad de los flóculos formados por un aumento en su tamaño promedio, disminución en los SST, SSed, turbiedad y color en el sobrenadante para ambos polielectrolitos, antes y después de filtrar. Adicionalmente, la aplicación de pequeñas dosis de ozono reduce significativamente la dosis cloro requerida para una desinfección eficiente. Palabras clave: ozono, partículas, coagulación-floculación, primario avanzado INTRODUCCIÓN Numerosos investigadores de todo el mundo han observado que cuando el ozono es adicionado en el agua (principalmente con fines de potabilización), éste afecta el comportamiento de las partículas presentes de manera tal que se presentan cambios en la distribución del tamaño de las partículas en dirección a tamaños mayores; formación de partículas coloidales a partir de materia orgánica disuelta ; mejor remoción de turbiedad y COT durante los tratamientos subsecuentes de sedimentación, filtración o flotación; reducción de la dosis requerida de coagulante para lograr la turbiedad o la concentración de COT deseada en el efluente; un mejoramiento en las propiedades de sedimentación de los flóculos; disminución del tiempo de filtración ; aumento en el tiempo de corrida de los filtros; remoción de precursores de trihalometanos, etc. ( Edwards, Benjamin, 1991 ), El efecto que el ozono tiene sobre la estabilidad de las partículas es frecuentemente atribuido a alguna modificación en las propiedades de la materia orgánica natural (MON) presente en el agua. Algunos mecanismos propuestos son ( Langlais et. al, 1991 ): 1) Incremento en las asociaciones aluminio-materia orgánica ozonada. 2) Aumento en el acomplejamiento de calcio por materia orgánica ozonada. 3) Pérdida de materia orgánica de la superficie de las partículas de arcilla. 4) Polimerización de la materia orgánica. 5) Rompimiento de complejos organometálicos. 6) Reacciones con algas. MATERIALES Y MÉTODOS El ozono fue obtenido por medio de un generador EMERY TRAILIGAZ LABO 76 con una capacidad de producción de 19 go 3 /h, utilizando como gas de alimentación aire enriquecido con oxígeno mediante un separador AIRSEP que entrega gas al generador con las siguientes características: presión de 62.1 kpa, punto de rocío de -73 ºC y una pureza de oxígeno de 90% +/- 5%. Para este estudio se construyó un sistema de ozonación adaptado a pruebas de jarras, constituido por vasos disolutores cerrados herméticamente con tres entradas de 24/40 en las cuales se colocaron tapones de teflón. La entrada central permite la entrada del agitador, el ozono es aplicado por medio de un difusor de vidrio poroso ubicado en el fondo del contactor que entra lateralmente. El sistema cuenta también con una entrada disponible para la aplicación de los reactivos. Las pruebas de jarras que simulan el tratamiento primario avanzado se realizaron mediante la utilización de un aparato de agitación controlada marca PHIPPS & BIRD STIRRER, MOD con la siguiente secuencia: una agitación a 100 r.p.m. 30 seg. después de agregar el coagulante, 2 min. a 70 r.p.m., 2 min. a 55 r.p.m., 2 min. a 30 r.p.m. y 10 min. de sedimentación. La cuantificación del ozono en fase gaseosa se realizó mediante del método yodométrico (Birdsall, 1952 ) con la ayuda de 2 acotadores de gases acoplados a un medidor de flujo PRECISION SCIENTIFIC MOD El ozono en fase acuosa se determinó por el método colorimétrico con el reactivo de índigo ( propuesta O 3 B, Bader et. al, 1981 ). Los parámetros fisicoquímicos ph, turbiedad, conductividad y DQO (demanda química de oxígeno) fueron determinados de acuerdo a los procedimientos que se describen en los métodos estándar (APHA, 1992 ). El carbono orgánico total se determinó de acuerdo al métodos estándar utilizando un analizador BECKMAN INDUSTRIAL MOD. 915-B Los sólidos en todas sus formas fueron realizados conforme a los métodos estándar ( APHA 1992 ). Las coliformes fecales se realizaron utilizando la técnica de membrana filtrante de acuerdo a los métodos estándar ( APHA 1992 ). La caracterización del tamaño de los flóculos se hizo con la ayuda de un preparado micrométrico con 2 mm = 200 divisiones ( portaobjetos y un ocular de medida con placa de trazos con 10 mm = 100 divisiones, acoplados a un microscopio WILD LEITZ MOD. LEITZ LABORLUXS. La determinación de color se llevó a cabo utilizando un medidor de color ORBECO-HELLIGE AQUA TESTER con un disco con escala de hasta 25 unidades de color APHA en la escala Platino-Cobalto con una dilución de 1:20. RESULTADOS APLICACIÓN DE OZONO EN EL PRIMARIO AVANZADO El primer paso consistió en determinar el momento más adecuado para administrar el ozono en pruebas de jarras que simulaban el tratamiento primario avanzado, por lo que se procedió a ozonar el agua residual antes, durante y después de dichas pruebas de jarras a 28% del máximo voltaje de salida, 0.6 amperes y un gasto a la salida del generador de ozono de 0.73 l/min. Se aplicaron dosis de ozono en un rango de 4 a 24 mg/l para 3 diferentes tiempos de contacto (10, 30 y 60 segundos respectivamente). El polímero aniónico comercial fue agregado en una concentración de 0.4 mg/l después de adicionar el coagulante metálico (Al 2 (SO 4 ) 3 a ) y ozonar, evitándose así cualquier posible rompimiento o flotación de flóculos durante la ozonación. Las muestras se dejaron sedimentar durante 10 minutos y los sobrenadantes se filtraron al vacío en filtros WHATMAN No. 40. Finalmente se determinaron SST al sobrenadante y al filtrado, los resultados se presentan en la tabla I. Tabla I Valores promedio para SST obtenidos en pruebas de jarras ( octubre de 1995 ) S/O 3 10 O 3 30 O 3 60 O 3 O 3 antes PJ (S/F) O 3 antes PJ (F) O 3 durante PJ (S/F) O 3 durante PJ (F) O 3 después PJ (S/F) O 3 después PJ (S/F) Nomenclatura: (S/F): sin filtrar; (F): después de filtrar; PJ : Prueba de jarras; S/O 3 : sin aplicar O 3 De estos resultados se puede inferir que la ozonación resulta más efectiva al aplicarla durante y después de pruebas de jarras, principalmente por la remoción obtenida después de filtración. Para comprobar este resultado se diseñó un experimento estadístico por bloques completos aleatorizados para las 3 opciones de ozonación (antes, durante y después de pruebas de jarras), manteniendo fijo el tiempo de ozonación más adecuado de los 3 que probamos (30 de ozonación) con 5 repeticiones, bloqueando el efecto por manejo de muestra, encontrándose que había diferencia significativas entre los tratamientos para un error tipo α del 5% y además que no existían diferencia significativas entre las muestras. Para determinar a que se debía la diferencia entre los tratamientos se procedió a hacer una prueba de rango múltiple de Duncan donde se encontró que resulta equivalente ozonar durante y después de pruebas de jarras, pero no antes. Finalmente, se validó estadísticamente una celda haciendo 30 repeticiones para comprobar la normalidad de los datos mediante su función de distribución y la homocedasticidad por medio de la prueba de igualdad de varianzas de Cochran. Cabe mencionar que cuando aplicamos ozono después de pruebas de jarras, se presenta en cierto grado una flotación de partículas que pudiera enmascarar los resultados para SST, por lo tanto, se optó por ozonar durante pruebas de jarras en los experimentos posteriores. Se determinó el valor de la dosis de ozono transferido para los diferentes tiempos de ozonación (10, 30 y 60 segundos) realizando para ello los balances de materia correspondientes. Los resultados se resumen en las tablas II y III. Se puede concluir que aunque hubo variaciones en el ozono a la salida del generador debido a variaciones en el voltaje, en promedio se transfieren alrededor de 0.4, 3.5 y 5.2 mg/l de ozono en fase acuosa para 10, 30 y 60 segundos de ozonación respectivamente. Tabla II Determinaciones de ozono en fase gas y líquida (noviembre de 1995) (O 3 ) sg (i) (O 3 ) i (O 3 ) sg (o) (O 3 ) o (O 3 ) resid (O 3 ) transf O 3 (10 ) O 3 (30 ) O 3 (60 ) Tabla III Determinación de ozono en fase gas y líquida (enero de 1996) (O 3 ) sg (i) (O 3 ) i (O 3 ) sg (o) (O 3 ) o (O 3 ) resid (O 3 ) transf O 3 (10 ) O 3 (30 ) O 3 (60 ) EFECTO COAGULANTE DEL OZONO Con el propósito de comprobar de manera concluyente el efecto coagulante del ozono, se evaluaron los siguientes parámetros: SST, SDT, COT, DQO, SSed., turbiedad, conductividad, ph y color; tanto en el sobrenadante de pruebas de jarras como en los filtrados. El tratamiento primario se simuló de nuevo en pruebas de jarras, utilizando como coagulante principal sulfato de aluminio () y 2 tipos de floculantes. Esto último, con el propósito de realizar una comparación entre un polielectrolito aniónico comercial a una concentración de 0.4 mg/l y un polielectrolito Anfotérico no comercial (sintetizado en el instituto de materiales de la UNAM) a una concentración de 0.1 mg/l (anfotérico). Las concentraciones usadas de los polielectrolitos fueron determinadas en estudios anteriores en base a la remoción de SST teniendo como base 80% de eficiencia. Los resultados promedio se presenta en la Tabla IV. Tabla IV. Efecto del ozono agregado a diferentes tiempos de contacto sobre la remoción de algunos parámetros fisicoquímicos. (octubre - noviembre de 1995 y marzo de 1996 ). Conductividad. ph SDT DQO COLOR* (ms/cm) ANIO-PJ (S/F) ANIO-10 (S/F) ANIO-30 (S/F) ANIO-60 (S/F) ANIO-P.J. (F) ANIO-10 (F) ANIO-30 (F) ANIO-60 (F) ANFO-PJ (S/F) ANFO-10 (S/F) ANFO-30 (S/F) ANFO-60 (S/F) ANFO-PJ (F) ANFO-10 (F) ANFO-30 (F) ANFO-60 (F) Agua Cruda A. C. ( F ) Nomenclatura: (S/F): sin filtrar; (F): después de filtrar; PJ : Prueba de jarras sin aplicar ozono; ANIO: con polímero aniónico (comercial); ANFO: con polímero anfotérico (UNAM). * unidades de color en la escala de platino cobalto. Se puede constatar que existe un pequeño aumento en la producción de lodos (SSed.) como producto de la mejor remoción del material suspendido y disuelto (fig. 1a), también se aprecian remociones considerables en algunos parámetros antes y después de filtración; principalmente en la turbiedad, los SST y el COT (figuras 1b, 1c y 1d respectivamente ). Se observa también una ligera acidificación del medio después de ozonar, probablemente debida a la formación de nuevas substancias con características ácidas. En los parámetros restantes se aprecian mejorías, aunque no tan evidentes como las anteriores. Con lo referente a los polielectrolitos en estudio, se aprecia una mayor eficiencia del polímero anfotérico, ya que se obtuvieron resultados similares con solo la cuarta parte en concentración comparado con el polímero aniónico, por lo que podría explorarse como una alternativa para su aplicación en estudios posteriores. SÓLIDOS SEDIMENTABLES TURBIEDAD ml/l Ozono transferido UTN Ozono transferido Aniónico Anfotérico Aniónico Aniónico (F) Anfotérico Anfotérico (F) (a) (b) mg/l SST Ozono transferido Aniónico Aniónico (F) Anfotérico Anfotérico (F) mg/l COT Ozono transferido Aniónico Aniónico (F) Anfotérico Anfotérico (F) (c) (d) Fig. 1 Efecto del ozono sobre la calidad final del efluente REDUCCIÓN DE LA DOSIS DE COAGULANTE POR EFECTO DEL OZONO Otro estudio consistió en determinar el ahorro de coagulante metálico por efecto del ozono. Las pruebas consistieron en disminuir paulatinamente la cantidad de coagulante aplicado, manteniendo la dosis de ozono transferida óptima de 3.5 mg/l, así como también la concentración de los floculantes. Los resultados indican que con una reducción del 20% en la dosis coagulante (de a 40 mg/l) se consigue una remoción similar a la lograda en pruebas de jarras sin ozonar para todos los parámetros (tabla VI), con la ventaja de una disminución considerable en la producción de lodos (del 20% al 30%) y la presencia de color (entre 15% y 17% antes de filtrar y de aprox. 35% después de filtrar) como se puede apreciar en la tabla VII. Tabla VI efecto por reducción de la dosis de coagulante sobre diversos parámetros (abril de 1996). Turbiedad (UTN) Conduct. (ms/cm) ph SST SDT COT DQO ANIO-PJ 50mg/l (S/F) ANIO- (S/F) ANIO-45 mg/l (S/F) ANIO-40 mg/l (S/F) ANIO-35 mg/l (S/F) ANIO-30 mg/l (S/F) ANIO-PJ 50mg/l(F) ANIO- (F) ANIO-45 mg/l (F) ANIO-40 mg/l (F) ANIO-35 mg/l (F) ANIO-30 mg/l (F) ANFO-PJ (S/F) ANFO-(S/F) ANFO-45 mg/l(s/f) ANFO-40 mg/l(s/f) ANFO-35 mg/l(s/f) ANFO-30 mg/l(s/f) ANFO-PJ50mg/l(F) ANFO- (F) ANFO-45 mg/l (F) ANFO-40 mg/l (F) ANFO-35 mg/l (F) ANFO-30 mg/l (F) Agua Cruda (S/T) A.C. (F) Tabla VII efecto de la reducción del coagulante sobre la velocidad de sedimentación, producción de lodos, sólidos disueltos totales y color (junio 1996). Cruda (S/T) ANIO-PJ ANIO- ANIO- 40 mg/l ANFO-PJ ANFO- ANFO- 40 mg/l Vsedim ( m/min.) SSedim ( ml/l ) SDT ( mg/l ) COLOR* Nomenclatura (tablas VI y VII): (S/F) : Sin filtrar; (F) : Después de filtrar; PJ : Prueba de jarras sin aplicar ozono; (S/T) : sin tratamiento alguno; ANIO : Polímero aniónico en pruebas de jarras; ANFO : polímero anfotérico en pruebas de jarras; A.C. : agua cruda. * unidades de color en la escala de platino cobalto. Para corroborar si el incremento en la velocidad de sedimentación se debía a un aumento en el tamaño promedio de los flóculos después de aplicar ozono, se midió el tamaño promedio con la ayuda de un microscopio, pudiéndose concluir que efectivamente se generó un incremento en el tamaño promedio de dichos flóculos. los resultados se presentan en la Tabla VIII. Tabla VIII Tamaño de los flóculos determinado con el objetivo 4x/0.12 (junio de 1996). PPJ P30 P30 45 mg/l P30 40 mg/l SPJ S30 S30 45 mg/l S30 40 mg/l #.divisiones 30 a a a a a a a a 24 Valor en µm 840 a a a a a a a a 672 REDUCCIÓN DE LA DOSIS DE DESINFECTANTE POR EFECTO DE LA OZONACIÓN Se determinó la cantidad aproximada de ahorro en la dosificación de hipoclorito de sodio como cloro activo en la desinfección del efluente posterior a la filtración. Para ello se diseñó un experimento bifactorial con la finalidad de evaluar el efecto sobre la desinfección de los factores considerados (dosis de cloro activo y dosis de ozono), así como las interacciones entre ellos, de manera simultánea. Para el agua residual tratada mediante un proceso primario avanzado, la dosis de cloro activo determinada en estudios anteriores realizados por el instituto de ingeniería de la UNAM es de aproximadamente 20 mg/l para cumplir con la norma de riego agrícola en lo referente al contenido de coliformes fecales (1 x 10 3 UFC/100 ml). Los resultados promedio para cada celda (tratamiento) se presentan el la tabla IX y de acuerdo al análisis estadístico realizado se determinó que tanto los efectos principales como los de interacción entre dosis de ozono y dosis de cloro son significativos a un nivel de error tipo α del 5%.De este experimento se puede inferir que la cantidad de cloro necesaria para alcanzar la norma junto con los 30 de ozonación se encuentra entre los 15 y los 20 mg/l de Cl 2. Tabla IX Coliformes fecales del 25 de enero de 1996 (agua cruda con 2.6 X 10 6 UFC/100 ml.) 10 mg/l Cl 2 15 mg/l Cl 2 20 mg/l Cl 2 Sin ozonar ozonación 60 ozonación Posteriormente, se procedió a delimitar la dosis aplicada de cloro a 15, 17 y 20 mg/l, con el fin de estimar la de cloro que se podría economizar incluyendo ozono como parte del tratamiento. Para este caso se consideró que los coliformes fecales varían a lo largo del año de entre 10 5 y 10 7 UFC/100 ml en el agua residual en estudio. En la tabla X se presentan los resultados obtenidos. Tabla XI Coliformes fecales del 6 de junio de 1996 (agua cruda de 1.8 X 10 7 UFC/100 ml.) 15 mg/l Cl 2 17 mg/l Cl 2 20 mg/l Cl 2 Sin ozonar ozonación ozonación 60 ozonación El resultado estadístico es similar al anterior, pero aquí podemos observar que con 17 mg/l de cloro activo y 30 segundos de ozonación (3.5 mg/l de ozono transferido), se llega a una aproximación adecuada a al norma de riego. CONCLUSIONES Se puede concluir que el ozono efectivamente tiene una influencia positiva en el proceso de coagulaciónfloculación cuando es aplicado en pequeñas dosis, al igual que se ha reportado para aguas potables y superficiales, y que dosis más elevadas presentan efectos negativos. Debido a la complejidad en la composición en las aguas residuales es difícil inferir acerca de los mecanismos de acción implicados en el proceso. Un resultado importante fue la determinación del punto mas adecuado para la aplicación del ozono, para de esta manera aprovechar al máximo los beneficios inherentes a dicha aplicación. Los mejores resultados se obtuvieron cuando se ozona poco después de adicionar el coagulante, y una posible explicación a esto sería que existe una mayor cantidad de ozono disponible para reacciones moleculares directas como podrían ser: la polimerización de compuestos orgánicos metaestables catalizada en superficies polímerometal polivalente, superficies de partículas de arcillas o interfases gas/liquido creadas durante el contacto con ozono. Respecto a la dosis de ozono para el agua residual en estudio, se concluye que se tiene un incremento en la remoción de la materia orgánica, debido a su efecto coagulante y polimerizante a bajas concentraciones transferidas ( 3.5 mg/l ). Otros efectos benéficos de la aplicación de ozono a estas concentraciones son : la reducción de turbiedad y color; la disminución en la producción de lodos por ahorro en la dosis de coagulante aplicada; mejora la velocidad de sedimentación de los flóculos; se tiene un incremento en la duración de la carrera de los filtros y reduce la dosis de cloro activo requerida para desinfección (Petruševski et. al 1994) Con respecto a los polímeros, se aprecia claramente la mayor eficiencia del polímero anfotérico, ya que se obtuvieron resultados similares al aniónico con solo la cuarta parte en concentración. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que con respecto al tamaño de los flóculos, éstos resultaron ser menores que los del producto comercial y por lo tanto mas susceptibles a resuspensión en un proceso continuo. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Birdsall C., Jenkins A.C., Spandinger Edwards ( 1952 ), Iodometric determination of ozone. Analytical chemistry, Vol. 24 No. 4. Bader H., Hoigne J. ( 1981 ).
