1.4: Coagulación y Floculación

Objetivos de aprendizaje

Después de leer este capítulo deberías poder identificar y explicar lo siguiente:

• Tipos de coagulantes
• Química de la coagulación
• Sistemas de mezcla para coagulación y floculación
• Teoría del proceso de floculación
• Fórmula de libras

Uno de los pasos más importantes en el proceso de tratamiento del agua es la eliminación de sólidos suspendidos. El proceso de dos partes en el tratamiento del agua implica la desactivación química y la eliminación física de organismos patógenos. La eliminación física de patógenos se realiza en varias etapas. Los dos primeros pasos incluyen los procesos de coagulación y floculación. En este proceso, las partículas coloidales se desestabilizan para reunir todo el material suspendido. También pueden denominarse sólidos no estables. Este proceso aumenta los tamaños de partícula, lo que ayuda en la eliminación durante el proceso de filtración. Las partículas más grandes de flóculos se eliminarán durante el proceso de sedimentación y filtración. La coagulación ocurre muy rápidamente en el proceso de mezcla rápida o mezcla flash. El proceso de mezcla flash solo dura varios segundos ya que el coagulante se mezcla rápidamente y reacciona con el agua cruda sin tratar. El flóculo ganará de tamaño durante el segundo paso de floculación. La filtración no puede ocurrir sin una coagulación y floculación adecuadas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Imagen del tratamiento del agua por la EPA es de dominio público

Tipos de coagulantes

En general, se utilizan dos tipos de coagulantes durante la coagulación. Se utilizará un coagulante primario y un coadyuvante coagulante durante el proceso de mezcla rápida. Las superficies coloidales son negativas, por lo que se utilizan sales metálicas cargadas positivamente como coagulantes primarios. El coagulante se disuelve en agua e ioniza. Ionizar es cuando una molécula pierde o gana un electrón para formar un ion. Los tres coagulantes más comunes utilizados en el tratamiento del agua son Sulfato de Aluminio (Alum), Sulfato Férrico y Cloruro Férrico. El coagulante primario más utilizado en el tratamiento del agua es el alumbre debido a su amplia disponibilidad y asequibilidad.

Los polímeros sintéticos a menudo se usan como coagulantes y auxiliares de filtración, pero también se han utilizado como coagulantes primarios. Los operadores utilizan diferentes grupos cargados de polímeros conocidos como catiónicos (positivos), aniónicos (negativos) y no iónicos (sin grupos ionizables). Las ayudas de coagulación ayudan en la construcción de flóculos asentables.

Cosas importantes a tener en cuenta a la hora de elegir un polímero:

• La sobredosis de un polímero puede disminuir la eficiencia del proceso de coagulación y provocar la unión del filtro y aumentar la pérdida de cabeza en los filtros
• No toda el agua de suministro se crea igual. Cada fuente de agua tiene una química diferente y se deben realizar pruebas de jarra para ver qué polímero funciona mejor con la fuente de agua específica.
• No existe un estándar generalizado para elegir un polímero. Diferentes estados tienen estándares de aprobación química que deben cumplirse.
• La adición de cloro puede afectar la efectividad del polímero
• Al igual que con cualquier químico, hay un límite de dosificación

Química

Al igual que muchos procesos en el tratamiento del agua, la teoría de la coagulación es muy compleja. Como operador, debe tener un conocimiento básico de la química involucrada en cada proceso. El coagulante agregado al agua reaccionará con la alcalinidad en el agua para formar flóculos insolubles. Insoluble es algo que no va a disolverse. Si el flóculo no se forma correctamente, entonces los operadores no pueden eliminar eficazmente los patógenos del agua tratada. La alcalinidad no es lo mismo que el pH. Esto se vuelve muy confuso ya que el “agua alcalina” se ha convertido en un término de comercialización más ampliamente popularizado. La alcalinidad es la capacidad del agua para neutralizar un ácido basado en su composición de carbonato, bicarbonato o hidróxido. La medida de alcalinidad es la cantidad de ácido que habría que añadir al agua para bajar el pH a 4.5 y ahí es donde surge la confusión.

La coagulación es más efectiva en el rango de pH de 5-7 debido a la capacidad de reacción de las aguas con alcalinidad. En este rango, el agua tiende a amortiguar o permanecer en el mismo rango de pH y permitirá la mezcla completa de los químicos coagulantes. Si el agua cruda tiene un pH bajo, se pueden agregar agentes como carbonato de sodio para aumentar el pH.

Los operadores deben realizar pruebas adecuadas de calidad del agua para promover la adición adecuada de productos químicos coagulantes. Los coagulantes subdosificados causarán problemas con la formación de flóculos, mientras que la sobredosis de coagulantes puede causar obstrucción durante el proceso de filtrado. Los filtros obstruidos provocan problemas de pérdida de carga en los filtros y un mayor lavado del filtro.

Mezclar

Como se señaló anteriormente el proceso de coagulación se completa en cuestión de segundos. La mezcla se puede lograr utilizando mezcladoras hidráulicas, mezcladoras mecánicas, difusores o licuadoras bombeadas. Los mezcladores hidráulicos utilizan el flujo para lograr la mezcla. Este tipo de mezcla requiere suficiente flujo para crear una perturbación en el agua para lograr una mezcla adecuada. Los mezcladores mecánicos requieren la mayor cantidad de energía porque requieren una fuente eléctrica para lograr la mezcla. Los difusores aplican un flujo uniforme durante el proceso de coagulación, pero pueden requerir muchos ajustes después de los cambios de flujo. Finalmente, las bombas se pueden usar para empujar el coagulante en el flujo de agua. La mezcla puede ocurrir en una cuenca, canal o tubería.

Floculación

La floculación es el proceso de mezcla lento que hace que las partículas más pequeñas se fusionen en partículas más grandes que se asientan más fácilmente. Luego, las partículas se eliminan más fácilmente en el proceso de sedimentación y filtración. El proceso de floculación se logra controlando la tasa de impactos entre las partículas a medida que ganan tamaño. El tamaño del flóculo puede oscilar entre 0.1 mm-3 mm. El tamaño del flóculo producido depende del tipo de proceso de tratamiento que se utilice en una planta específica. Es importante que el flóculo tenga buen tamaño pero también densidad por lo que el flóculo no cortará durante el proceso de sedimentación y filtración. Este proceso es mucho más largo que la coagulación que dura aproximadamente 15-45 minutos.

Figura\(\PageIndex{2}\): El proceso de coagulación-floculación por parte de The Open University y sus socios está licenciado bajo CC BY-NC-SA 4.0

Se muestra arriba: La porción de mezcla flash también se conoce como coagulación. Los productos químicos se agregan y el proceso ocurre en segundos. Después de la mezcla flash, el agua se dirige a las cuencas de floculación para permitir que las partículas de flóculos se reúnan en tamaño.

Los floculadores mecánicos se pueden instalar tanto horizontal como verticalmente. El tipo horizontal utiliza mezcladores de estilo paleta, mientras que los mezcladores de estilo vertical pueden incluir mezcladores de paletas, turbinas y hélices. La forma y tamaño de una cuenca de floculación está determinada por el tipo de mezcla utilizada y las estructuras adyacentes como las cuencas de sedimentación. Las cuencas de floculación suelen dividirse en 3 compartimentos. La velocidad de la mezcla disminuye en cada compartimento para evitar que las partículas se rompan a medida que se hacen más grandes. Si las partículas se rompen durante la floculación, las partículas colocarán una carga más pesada sobre los filtros durante el proceso de filtración, lo que provocará menores tiempos de funcionamiento del filtro. Este fenómeno se discutirá con mayor detalle en el Capítulo 6.

Monitoreo y Control de Procesos

El proceso de coagulación y floculación requiere una gran cantidad de atención al detalle en el camino. Un operador no puede simplemente establecer una dosis y “esperar” que todo salga bien. La calidad del agua puede cambiar con frecuencia y los operadores deben asegurarse de que están al tanto de las condiciones cambiantes. Una forma en que un operador puede lograr esto es a través de pruebas de tarro. Este es un procedimiento de laboratorio que encuentra la mejor dosis de coagulante en función de las condiciones de calidad del agua.

Figura\(\PageIndex{3}\): Imagen de una prueba en frasco de Jigchen L. Norbu está licenciada bajo CC BY-SA 4.0

La eficiencia de las plantas de tratamiento de agua está determinada por la lectura combinada de turbidez efluente. La eficiencia del filtro individual también se monitorea de cerca. Esto se discutirá extendidamente en el capítulo de filtración del texto, pero es importante tener una comprensión básica de ese concepto en este punto del proceso de tratamiento. El tratamiento del agua es un proceso largo. Lo que está ocurriendo ahora mismo puede tener graves impactos en el proceso de tratamiento. Debido a esta consideración, las pruebas de jarras y el monitoreo de la planta son aún más críticos. Las pruebas de jarras y el muestreo de laboratorio aseguran que el agua que teóricamente se está tratando ahora, estará segura al ingresar al sistema de distribución dentro de horas.

Durante condiciones anormales, es importante que los operadores tomen notas e informen a los operadores senior y/o a un supervisor. El mantenimiento de registros es importante porque los operadores pueden volver a las notas utilizadas de experiencias anteriores. Por ejemplo, un gran evento de lluvia ha cambiado la turbidez del influente que ingresa a la planta de tratamiento. Un evento similar ocurrió tres años antes y la turbidez afluente es muy similar a las que están viendo los operadores actualmente. ¿No sería agradable tener un registro de lo que hicieron los operadores hace tres años? Con suerte, el personal de operaciones de hace tres años notó cambios en la dosis de coagulante, las velocidades de mezcla, la demanda de cloro y otros cambios significativos en la planta.

Coagulación mejorada

El proceso de coagulación mejorado se utiliza para eliminar la materia orgánica natural ajustando el pH y la dosis de coagulante para eliminar la mayor cantidad de materia suspendida durante el proceso de tratamiento. La adición de ácido se utiliza para lograr el pH adecuado a diferencia del tratamiento de barrido donde el operador sobredosifica el coagulante para lograr el rango de pH correcto. La coagulación mejorada ocurre a un pH más bajo. y en consecuencia verá mejoras en el tratamiento como:

• Las moléculas húmicas y fúlvicas se separan mejor con menor pH. Los ácidos húmicos y fúlvicos son ácidos orgánicos que se encuentran comúnmente en fuentes de agua cruda
• Se requiere menos coagulante para el tratamiento
• La floculación mejora a un pH más bajo
• La adición de ácido sulfúrico antes de añadir coagulante precondiciona la materia orgánica

La fórmula de las libras (problemas de dosificación química)

Uno de los cálculos más importantes que utilizará un operador es la “Fórmula Libras”. La fórmula de libras se puede usar para resolver problemas matemáticos del agua, incluidos miligramos por litro a libras por día, velocidad de alimentación, dosis de cloro, porcentaje de fuerza y cálculos de dilución. La fórmula para los cálculos de libras es:

Velocidad de Alimentación (lbs/día) = dosis (partes por millón) × Caudal (millones de galones por día) × 8.34 lbs/gal

A continuación se muestra la fórmula de libras expresada en una rueda mecánica. La rueda mecánica se puede utilizar para resolver un problema de dosificación química enchufando la información dada y luego multiplicando o dividiendo como se indica para determinar la solución. Por ejemplo, una planta de tratamiento producirá 2 MG al día. La dosis de cloro es de 3.0 mg/L. ¿Cuántas libras de cloro utilizará el operador?

Velocidad de Alimentación = 3.0 × 2 × 8.34

Velocidad de Alimentación = 50 lbs/día

Es importante señalar que al usar la fórmula de libras, la producción de agua siempre se expresa en MGD. Por ejemplo, un problema puede preguntarse cuál es la producción de cloro para una planta de tratamiento de agua que produce 1,000,000 de galones al día. Esta es la expresión más fácil porque 1,000,000 ÷ 1,000,000 = 1.

EX: Un operador de tratamiento de agua debe clorar súper un tanque de 650,000 galones a 50 ppm. ¿Cuánto cloro debe agregar el operador?

50 × .65 × 8.34 = 271 libras

* Se debe dividir 650,000 por un millón para obtener .65 para resolver la ecuación. Redondea al décimo o centésimo lugar más cercano para obtener la respuesta más precisa. Recuerda que debes mostrar todo el trabajo durante los exámenes para obtener crédito pero el formato sigue siendo de opción múltiple así que ten cuidado al redondear.

Problemas de fórmula de libras de práctica

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

La tasa de dosificación de alumbre seco es de 15 mg/L y el caudal diario de una planta de tratamiento es de 5 MG. ¿Cuántas libras de alumbre seco al día se requieren?

Solución

Tasa de alimentación= 15 mg/L × 5 MGD × 8.34 lbs/gal

Velocidad de alimentación = 625.5 lbs/día

* Este problema de muestra es bastante sencillo. Enchufa los números en la ecuación y multiplícalos para obtener tu respuesta.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Una planta de tratamiento utiliza 300 lbs de alumbre al día. La producción de la planta es de 2,500,000 galones diarios. ¿Cuál es la dosis?

Solución

Paso 1:2,500,000 ÷ 1,000,000 = 2.5 MGD

Dosis = 300 lbs/día/ (2.5 × 8.34)

Dosis = 250/20.85

Dosis = 12 mg/L

Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

¿Cuántas libras de 65% de cloro disponible debe agregar un operador a una planta de tratamiento con una dosis de 3.0 mg/L y una producción de planta de 5 MGD?

Solución

* Comienza la ecuación como lo harías normalmente. Ya que estás agregando una solución de cloro que no es del 100 por ciento se necesita un paso extra para resolver el problema. Recuerda, si la solución de cloro no es 100 por ciento de cloro disponible ¡vas a necesitar más para dosificar correctamente!

Velocidad de Alimentación = 3.0 × 5 × 8.34 = 125 lbs/día

A continuación, deberá realizar un ajuste basado en la resistencia al cloro.

(.65) (x lbs/día) = 125 lbs/día

x = 125.65

x = 192 Lbs/Día

Nota: Si el número es menor que el número original, multiplicaste en lugar de dividirlo. Siempre necesitarás más químicos si no es 100% de fuerza.

Ejemplo\(\PageIndex{4}\)

Un tanque de agua de 30 pies de altura y 100 f de diámetro debe dosificarse a 50 ppm para la desinfección. ¿Cuántas libras de hipoclorito de calcio al 65% se deben agregar para dosificar el tanque?

Solución

0.785 × 100ft × 100ft × 30ft × 7.48 Gal/ft ³ = 1,761,540 galones

1,761,540 galones/1,000,000 = 1.76MGD

Velocidad de Alimentación = 50 × 1.76 × 8.34 = 733.92 libras/día

(.65) (x) = 734

x = 734/.65

x = 1129 lbs

Revisión del Capítulo

1. La dosis óptima de coagulante está determinada por un ___________.
   1. Prueba de cloro
   2. Prueba de floculación
   3. Prueba de tarro
   4. Prueba de coagulación
2. El coagulante primario más común es ___________.
   1. Alumbre
   2. Polímero catiónico
   3. Fluoruro
   4. Polímero aniónico
3. Las bacterias y los virus pertenecen a un tamaño de partícula conocido como ___________.
   1. Suspendido
   2. Disuelto
   3. Colado
   4. Coloidal
4. El propósito de la coagulación es ___________.
   1. Aumentar los tiempos de ejecución del filtro
   2. Incrementar lodos
   3. Aumentar el tamaño de partícula
   4. Desestabilizar partículas coloidales
5. El propósito de la floculación es ___________.
   1. Desestabilizar partículas coloidales
   2. Aumentar el tamaño de partícula
   3. Disminuir lodos
   4. Reducir los tiempos de ejecución del filtro
6. Los coadyuvantes coagulantes primarios utilizados en el proceso de tratamiento son ___________.
   1. Cloruro de polialuminio
   2. Sulfato de aluminio
   3. Cloruro férrico
   4. Todo lo anterior
7. La floculación se utiliza para mejorar ___________.
   1. Número de colisiones de partículas para aumentar flóculos
   2. Neutralización de carga
   3. Dispersión de químicos en agua
   4. Velocidad de sedimentación del flóculo
8. Si hay algún problema con la formación de flóculos, ¿qué considerarías cambiar?
   1. Ajustar la dosis de coagulante
   2. Mantente el curso
   3. Ajustar la intensidad de mezcla
   4. Ambos 1 y 3
9. ¿Qué paso en el proceso de tratamiento es el más corto?
   1. Filtración
   2. Sedimentación
   3. Floculación
   4. Coagulación
10. Para bajar el pH para mejorar la coagulación el operador agregará ___________.
    1. Cloro
    2. Ácido sulfúrico
    3. Lima
    4. Soda cáustica
11. ¿Cuánto dura el proceso de floculación?
    1. Segundos
    2. 5-10 minutos
    3. 15-45 minutos
    4. Más de una hora
12. La función de una cuenca de floculación es ___________.
    1. Asedimentar partículas coloidales
    2. Desestabilizar partículas coloidales
    3. Mezclar productos químicos
    4. Permitir que las partículas en suspensión crezcan
13. Una planta de tratamiento tiene una producción máxima de 30 MGD y dosis de cloruro férrico a 75 mg/L ¿Cuántas libras de Cloruro Férrico usa la planta en un día?
    1. 18,765
    2. 17,765
    3. 19,765
    4. 16,765
14. Una planta de tratamiento utiliza 750 libras de alumbre al día ya que trata 15 MGD. ¿Cuál fue la tasa de dosis?
    1. 4 mg/L
    2. 5 mg/L
    3. 6 mg/L
    4. 7 mg/L
15. Una planta de tratamiento opera a 1,500 galones por minuto y usa 500 libras de alumbre al día. ¿Cuál es la dosis de alumbre?
    1. 18 mg/L
    2. 28 mg/L
    3. 8 mg/L
    4. 38 mg/L