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DEL AGUA DE BOMBEO

Hoy en día las empresas buscan mejorar continuamente sus procesos para ser más eficientes, conseguir beneficios económicos y cumplir con las exigencias del sector y del mercado. Actualmente las empresas pesqueras están optando por utilizar procesos químicos de coagulación y floculación como proceso adicional para lograr recuperar la mayor cantidad de sólidos del agua de bombeo.

En muchos casos la materia en suspensión puede estar formada por partículas de muy pequeño tamaño (10-6 – 10-9 µ), lo que conforma una suspensión coloidal que suelen ser muy estables debido a interacciones eléctricas entre las partículas; por lo tanto tienen una

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velocidad de sedimentación extremadamente lenta, lo que hace inviable un tratamiento mecánico clásico (Fernández et al., 2006:21).

Una forma de mejorar la eficacia de todos los sistemas de tratamiento de materia en suspensión es la adición de ciertos reactivos químicos que, en primer lugar, desestabilicen la suspensión coloidal (coagulación) y a continuación favorezcan la floculación de las mismas para obtener partículas fácilmente sedimentables (Fernández et al.,2006:22). El tratamiento físico químico por coagulación y floculación es un sistema que busca aumentar la tasa de sedimentación gravitacional y la eficiencia de remoción de contaminantes en el tratamiento primario de aguas residuales, mediante la adición de pequeña dosis de sales metálicas como coagulantes que tienen una carga positiva que neutraliza la carga negativa de las partículas suspendidas en las aguas; la presencia del coagulante favorece la formación de flocs entre las partículas con lo que adquieren una mayor velocidad de sedimentación (Carrazco,2007:13 ).

La coagulación y floculación es el proceso por el cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas con peso específico superior al del agua llamadas flocs y por lo tanto pueden ser separadas del agua mediante procesos físicos de sedimentación (Arboleda,1992:12).

En el proceso de coagulación - floculación se distinguen dos aspectos fundamentales:

a. La desestabilización de las partículas suspendidas, ósea la remoción de las fuerzas que las mantienen separadas llamada coagulación.

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b. El transporte de ellas dentro del líquido para que hagan contacto, generalmente estableciendo puentes entre si y formando una malla tridimensional de coágulos porosos; este proceso es llamado floculación (Carrazco , 2007:14).

Este proceso consta de dos etapas bien diferenciadas: una primera donde se adicionan los reactivos y se somete el agua a una fuerte agitación durante un corto periodo de tiempo, con el objetivo de conseguir una buena y rápida mezcla de reactivos y coloides para llevar a cabo la coagulación. En la segunda etapa se pasa a una zona donde la agitación es mucho menos intensa y donde el agua permanece más tiempo con el objetivo de que se produzca la floculación (Fernández et al.,2006:23). El tratamiento físico químico puede ser aplicado en una fase única como tratamiento primario o como complemento a fases posteriores de tratamiento, permitiendo que los requerimientos en tratamientos secundarios o terciarios sean menores (Carrazco , 2007:14).

La coagulación puede ser definida, en principio, como la desestabilización de las partículas para conseguir que las fuerzas de atracción tipo Van der Waals que existen entre dos partículas predominen sobre las de repulsión electrostática, de manera que las partículas se unan y den lugar a la formación de sólidos de mayor tamaño (Martinez, 2008:19). Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado ( Andía , 2000:9).

Las partículas contenidas en el agua forman campos de fuerza en su seno debido a que poseen cargas eléctricas que normalmente son negativas como también existen cargas

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eléctricas positivas. Las cargas eléctricas de las partículas generan fuerzas de repulsión entre ellas, por lo cual se mantienen suspendidas y separadas en el agua pudiendo hallarse tamaños de partículas muy diversos como:

- Partículas que están en forma de suspensión de tamaños mayor a 10 -7 µ.

- Las que forman una solución coloidal de tamaño entre 10 -7 y 10 -9 µ.

- Aquellas que forman una verdadera solución de tamaños menor a 10 -9 µ (Sánchez, 2007:16).

La coagulación se centra en aquellas partículas cuyos tamaños oscilan entre 10-4 y 10- 9

µ; partículas en suspensión y suspensión coloidal no separables por decantación (gravedad) o por filtración (Sánchez, 2007:16). Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100 segundos después de la adición de los coagulantes, según las características físicas del agua como el pH, temperatura, cantidad de partículas, etcétera (Barrenechea,2004:153).

Básicamente consiste en una serie de reacciones físicas y químicas entre los coagulantes, la superficie de las partículas, la alcalinidad del agua y el agua misma.Tres mecanismos pueden actuar en el fenómeno de coagulación:

- Adsorción-desestabilización, basado en las fuerzas electrostáticas de atracción repulsión.

- Puente químico, que establece una relación de dependencia entre las fuerzas químicas y la superficie de los coloides.

- Sobresaturación de la concentración de coagulante en el agua, basado en el barrido producido por los productos generados al agregar el coagulante (Arboleda, 1992:13).

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La mayoría de los coloides están cargados negativamente, por lo que en agua son estables debido a la repulsión electrostática entre estas partículas invisibles. Esta repulsión sobrepasa las fuerzas de atracción de Van der Waals, por lo que no se aglomeran y, por lo tanto, no precipitan (Lorenzo, 2006:11). La figura 13, representa la desestabilización electrostática de la carga eléctrica del coloide; esta neutralización suele realizarse aplicando al agua determinadas sales de aluminio o hierro (coagulantes); de forma que los cationes trivalentes de aluminio o hierro neutralizan las cargas eléctricas negativas que suelen rodear a las partículas coloidales dispersas en el agua.

Figura 13. Estabilidad de los coloides presentes en el agua cuando se adiciona un coagulante

Fuente: Imagen tomada de http://www.tratamientodelagua.com.mx/coagulantes-para- tratamiento- de-agua/

La coagulación es el tratamiento más eficaz pero también es el que representa un gasto elevado cuando no está bien realizado. El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificadas; por lo tanto se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las unidades de decantación y que es imposible de realizar una clarificación, si la cantidad de coagulante está mal ajustada. Existen muchos factores que

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influyen en el proceso de coagulación de aguas residuales entre los cuales tenemos la dosis de coagulante, la concentración de coloides o turbiedad, el pH, el grado de agitación, las sales en disolución y la temperatura del agua.

La dosis del coagulante a utilizar tiene influencia directa en la eficiencia de la coagulación; normalmente no todos los coagulantes producen el mismo efecto ni llevan a cabo la desestabilización por el mismo mecanismo. La dosis que se aplique depende del pH terminal del agua y de la concentración de coloides; es así que:

- Poca cantidad del coagulante no neutraliza totalmente la carga de la partícula, la formación de los microflóculos es muy escaso, por lo tanto la turbiedad residual es elevada.

- Alta cantidad de coagulante produce la inversión de la carga de la partícula, conduce a la formación de gran cantidad de microflóculos con tamaños muy pequeños cuyas velocidades de sedimentación muy bajas, por lo tanto la turbiedad residual es igualmente elevada.

- La selección del coagulante y la cantidad óptima de aplicación; se determina mediante los ensayos de pruebas de jarra (Andía, 2000:17).

La concentración de los coloides o turbiedad está estrechamente relacionado con la cantidad de coagulante para llevar el agua al óptimo de coagulación; existe cierta relación entre la concentración de sólidos suspendidos y la dosis de coagulante apropiada; pero la cantidad exacta de coagulante sólo puede determinarse mediante ensayos de pruebas de jarras (Duque, 2012:60).

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La turbiedad es una forma indirecta de medir la concentración de las partículas suspendidas en un líquido; mide el efecto de la dispersión que estas partículas presentan al paso de la luz; y es función del número, tamaño y forma de partículas. La turbiedad del agua superficial es producida por partículas de lodos de sílice de diámetros que varían entre 0,2 a 5 µ. La coagulación de estas partículas es muy fácil de realizar cuando el pH se mantiene dentro del rango óptimo (Andía, 2000:19).

El tamaño de partículas influye en la cantidad de coagulante necesario para realizar la coagulación. Las partículas suspendidas muy finas son más difíciles de coagular que las partículas más grandes y por ello necesitan mayor cantidad de coagulante. Por otro lado son más fáciles coagular soluciones que contengan diferentes tamaños que las soluciones con un solo tamaño (Duque, 2012:60).

Cuando la turbiedad aumenta la cantidad de coagulante a adicionar no es mucho debido a que la probabilidad de colisión entre las partículas es muy elevada; por lo que la coagulación se realiza con facilidad; por el contrario cuando la turbiedad es baja la coagulación se realiza muy difícilmente y la cantidad del coagulante es igual o mayor que si la turbiedad fuese alta. Es siempre más fácil coagular las aguas de baja turbiedad y aquellas contaminadas por desagües domésticos industriales, porque requieren mayor cantidad de coagulante que los no contaminados. Para cada turbiedad existe una cantidad de coagulante, con el que se obtiene la turbiedad residual más baja, que corresponde a la dosis óptima del coagulante utilizado para dicho fin (Andía, 2000:19).

El pH es uno de los factores más importantes en el proceso de coagulación; existe para cada coagulante una zona de pH donde se produce una buena floculación a corto plazo y con una dosis adecuada de coagulante. La coagulación debe efectuarse dentro de esta zona

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óptima siempre que sea posible; fuera de esta zona se produce un desperdicio de producto químico y un mal proceso de coagulación (Duque, 2012:60). El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser utilizado y de la naturaleza del agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del rango de pH óptimo entonces se debe aumentar la cantidad del coagulante; por lo tanto la dosis requerida es alta (Díaz, 2014:52).

En general, el pH óptimo para la coagulación de aguas con color es más bajo (4-6), que para aguas con mayor turbiedad (6,5-8,5). Generalmente las sales férricas son efectivas, en un rango más amplio de valores de pH que las sales de aluminio (Barrenechea, 2004:218). Para sales de aluminio el rango de pH para la coagulación es de 6,5 a 8,0 y para las sales de hierro, el rango de pH óptimo es de 5,5 a 8,5 unidades (Andia, 2000:16).

El grado de agitación durante la adición del coagulante, determinará si la coagulación es completa; cuando se producen turbulencias desiguales hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada; una agitación intensa y uniforme es adecuada para asegurar una mezcla entre el agua y coagulante para que la reacción de neutralización de cargas se realice ( Andía, 2000:18 ).

En el transcurso de la coagulación y floculación, se procede a la mezcla de productos químicos en dos etapas. En la primera etapa, la mezcla es enérgica y de corta duración (60 segundos máximo) llamado mezcla rápida; esta mezcla tiene por objeto dispersar la totalidad del coagulante dentro del volumen del agua a tratar y en la segunda etapa la mezcla es lenta y tiene por objeto desarrollar los micro flóculos. La mezcla rápida

se efectúa para la inyección de productos químicos dentro de la zona de fuerte turbulencia,

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una inadecuada mezcla rápida conlleva a un incremento de productos químicos (Díaz ,2014:33).

Las sales en disolución contenidas dentro del agua afectan al proceso de coagulación modificando los siguientes factores:

- Modificación del rango de pH óptimo.

- Modificación del tiempo requerido para la floculación. - Modificación de la cantidad de coagulantes requeridos.

- Modificación de la cantidad residual del coagulante dentro del efluente ( Andía, 2000:17 ).

Cuando el agua tienes iones SO42-; la zona óptima de pH es muy estrecha ampliándose con el contenido de iones sulfato; en cambio con los iones PO43- es totalmente distinto porque el rango de pH óptimo se estrecha al aumentar el contenido de dichos iones. Su actuación es desplazar la zona de coagulación óptima a valores de pH menores. Los iones divalentes comprimen las capas difusivas que rodean las partículas coloidales negativas y por tanto reducen las fuerzas repulsivas entre ellas (Duque, 2012:44).

La temperatura influye sobre ciertas propiedades físicas como la viscosidad, solubilidad., pH y cinética de algunas reacciones que intervienen en el proceso de coagulación; una disminución de la temperatura retrasa las reacciones químicas, frena el movimiento browniano y disminuye la probabilidad de colisiones debido a que la viscosidad aumenta; cuanto más fría este el agua, más largo será el tiempo necesario para producir flóculos (Duque, 2012:61). Una disminución de la temperatura del agua en una unidad de

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decantación conlleva a un aumento de su viscosidad; esto explica las dificultades de la sedimentación de un floc (Díaz, 2014:32).

La floculación es el mecanismo mediante el cual las partículas ya desestabilizadas en el proceso de coagulación chocan unas con otras formando coágulos mayores denominados flocs; en este proceso los flocs aumentan su peso específico hasta superar el del líquido que los contiene, lo cual permite la sedimentación del aglomerado (Carrazco, 2007:17). La floculación consiste en la aglomeración, mediante la agitación moderada del agua, de las partículas que se desestabilizaron durante la coagulación, formando otras de mayor tamaño y peso específico llamados flóculos (Restrepo, 2009:10).

En la etapa de floculación que corresponde a una mezcla lenta tiene por objeto permitir los contactos entre los flóculos, la turbiedad y el color, la mezcla debe ser lo suficiente para crear diferencias de velocidad del agua dentro de la unidad pero no muy grande, ya que los flóculos corren el riesgo de romperse; aún si el tiempo es no más del tiempo óptimo de floculación (Andía , 2000:30).

El proceso de floculación se puede clasificar según como se producen las colisiones entre partículas:

Floculación Pericinética: Contactos por bombardeo de las partículas producidos por el movimiento de las moléculas del líquido (movimiento browniano) que sólo influye en partículas de tamaños menores a un micrón. Sólo actúa al comienzo del proceso, en los primeros 6 a 10 segundos y es independiente del tamaño de la partícula (Restrepo, 2009:11).

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Floculación Ortocinética: Contactos por turbulencia del líquido; esta turbulencia causa el movimiento de las partículas a diferentes velocidades y direcciones, lo cual aumenta notablemente la probabilidad de colisión. Efectivo sólo con partículas mayores a un micrón. Actúa durante el resto del proceso, de 20 a 30 minutos (Restrepo, 2009:11).

La mayor parte del tiempo se efectúa una floculación del tipo orto cinética, y en este caso la eficiencia de la floculación dependerá del parámetro llamado gradiente de velocidad que determinará las condiciones de diseño y operación de las unidades. En el proceso de floculación mostrado en la figura 14; las partículas formadas por coagulación se mezclan suavemente a través de un mezclado lento aumentando el tamaño de las partículas sub microscópicas en partículas en suspensión visibles.

Figura 14. Floculación de microflocs

Fuente: Imagen tomada de http://processprinciples.com/2012/12/flocculation-processing/

Los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no son lo suficientemente grandes como para sedimentar con rapidez deseada, por lo que el empleo de un floculante es necesario para reunirlos en forma de red, formando puentes de una superficie a otra enlazando las partículas individuales en aglomerados. Esto se hace

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mediante la adición de un polímero o ayudante de floculación que actuará como un pegamento entre los coloides (Andía, 2000:33).

En la floculación se necesita una agitación relativamente lenta, la cual se realiza dentro de un floculador. En esta unidad las partículas chocarán entre sí, se aglomerarán y formarán otras mayores denominadas flóculos; estas pueden ser removidas con mayor eficiencia por los procesos de sedimentación, flotación o filtración rápida; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos.

Uno de los factores que influye en la coagulación y por consiguiente en la floculación es la naturaleza del agua; estos procesos son extremadamente sensibles a las características fisicoquímicas del agua cruda, tales como la alcalinidad, el pH y la turbiedad. Algunos iones presentes en el agua pueden influir en el equilibrio fisicoquímico del sistema, en la generación de cadenas poliméricas de los hidróxidos que se forman o en la interacción de estos polímeros con las partículas coloidales, lo que afectará el tiempo de floculación (De Vargas , 2004:293).

Otro factor importante es la influencia del tiempo de floculación; la velocidad de aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo de detención. Bajo determinadas condiciones, existe un tiempo óptimo para la floculación, normalmente entre 20 y 40 minutos que se puede determinar mediante ensayos de prueba de jarras (Restrepo,2009:11). .La permanencia del agua en el floculador durante un tiempo inferior o superior al óptimo produce resultados inferiores, muy acentuados cuanto más se aleje del tiempo óptimo de floculación. Se puede decir que una eficiencia dada, se obtiene en tiempos cada vez menores

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a medida que se aumenta el número de cámaras de floculación en serie (De Vargas , 2004:295).

La influencia de la gradiente de velocidad es un factor proporcional a la velocidad de aglomeración de las partículas. El gradiente a través de las cámaras debe ser decreciente y no se deben tener cámaras intermedias con gradientes elevados (Restrepo,2009:11). Cuanto mayor es el gradiente de velocidad, más rápida es la velocidad de aglomeración de las partículas. Mientras tanto, a medida que los flóculos aumentan de tamaño, crecen también las fuerzas de cizallamiento hidrodinámico inducidas por el gradiente de velocidad. Los flóculos crecerán hasta un tamaño máximo, por encima del cual las fuerzas de cizallamiento alcanzan una intensidad que los rompe en partículas menores (De Vargas , 2004:296).

Es conocido que al variarse el caudal de operación de la planta, se modifican los tiempos de residencia y gradientes de velocidad en los reactores. Al disminuir el caudal, aumenta el tiempo de retención y disminuye el gradiente de velocidad. Al aumentar el caudal, el tiempo de retención disminuye, el gradiente de velocidad se incrementa y viceversa (De Vargas , 2004:297).

Los coagulantes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando (Andía, 2000:14).

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Los coagulantes basados en los minerales se encuentran entre los más ampliamente utilizados, tales como el alumbre (sulfato de aluminio), la cal [Ca(OH)2], y las sales férricas [ej, FeCl3 o Fe2(SO4)2], ya que dichos químicos afectan el grosor de la doble capa eléctrica (capa iónica adsorbida y capa contra-iónica) neutralizando la carga de la superficie y el estado de hidratación del coloide (Lee, s.f : 2).

Las dificultades que pueden presentar algunos coloides desestabilizados para formar flóculos pesados que sedimenten bien han dado lugar a la búsqueda de sustancias que