APLICACION DE FLOCULANTES NATURALES A LA PRODUCCION DE AGUA POTABLE EN PROCESOS DE DECANTACIÓN LASTRADA EN LA PLANTA DE LOS LAURELES (HONDURAS) Drinking Water Production using Natural Flocculant on Ballasted Flocculation and Settling at Los Laureles Water Treatment Plant (Honduras, C.A.) Joan Sanz 1 Juan Manuel Ortega 1 Lourdes Reyes 2 Pedro Ortiz 2 Julio Velarde 2 Efraín Gallego 2 Óscar Zeledón 2 Dirección de contacto: Edificio Augusta Park, Avenida Vía Augusta, 3-11 - Sant Cugat del Vallés - 08174 España Tel. : +34935110100 – Fax : +34035110109. e-mail: [email protected] Abstract Since 2005 Spanish Ministry of Health restrained the use of polymers based on polyacrylamide to produce drinking water. The new regulation coming into force to substitute the use of polyacrylamide in ballasted settling process by chemicals products allowed by the new law: modified starch, sodium alginate and polydadmac. In September 2006 a demonstration plant was conducted in Valmayor, Spain, using starch and polydadmac on very low turbidity water (2 NTU on average) with good results. In order to validate ballasted settling process using natural flocculants it was necessary to repeat the demonstration plant in a new place using raw water with turbidity higher than 40 NTU. Drinking water treatment plant placed in Los Laureles (Tegucigalpa, Honduras C.A.), property of SANAA (Autonomous National Service of Water Supply and Sewer System) was selected because there are two ballasted settling facilities in parallel and raw water has a very high turbidity, 100-200 NTU and high apparent colour 250 CU Pt-Co. Natural flocculants was selected using jar-test methodology adapted to ballasted flocculation and three of them was tested in full-scale plant. Cationic modified starch applied instead non-ionic polyacrylamide in ballasted settling process on raw water with a turbidity around 80 NTU and apparent colour 250 UC Pt-Co, have achieved a turbidity around 2 NTU (45th – 48th percentile), 3 NTU (76th – 80th percentile) and 5 NTU (95th – 98th percentile), and turbidity lower than 0,3 NTU (90th percentile) alter filtration step. These results were similar to obtained by non-ionic polyacrylamide. Also, natural organic matter (NOM) raw water and filtered water was analyzed using LCSEC-OCD methodology in order to describe NOM fractions removal in ballasted flocculation and filtration. Raw water and filtered water trihalomethanes potential formation (THMPF) was studied by GC/MS. KeyWords: Ballasted settling, natural flocculant, natural organic matter, THMPF.

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Veolia Water Solutions & Technologies. Miembro de la Asociación Española de Abastecimiento y Saneamiento (AEAS), y del grupo de trabajo para la regeneración y reutilización de aguas. Miembro de la Asociación Española de Reutilización Sostenible del Agua (ASERSA). Ha presentado comunicaciones técnicas en diferentes congresos de AEAS, AEDyR, EDS, IWA e IDA sobre la regeneración de agua y procesos de separación por membranas. 2 Servicio Autónomo Nacional de Acueductos y Alcantarillado, Honduras C.A..

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APLICACION DE FLOCULANTES NATURALES A LA PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE EN PROCESOS DE DECANTACION LASTRADA EN LA PLANTA DE LOS LAURELES (HONDURAS) Resumen El Ministerio de Sanidad de España restringió, en la producción de agua potable, el uso de polímeros basados en poliacrilamida desde 2005. La entrada en vigor de la nueva regulación forzó la sustitución del uso de poliacrilamida en el proceso de decantación lastrada por los productos químicos permitidos por la nueva ley: almidón modificado, alginato de sodio y polydadmac. En septiembre de 2006 se llevó a cabo una planta de demostración en Valmayor, España, usando almidón y polydadmac con agua cruda de turbiedad muy baja (2 NTU como valor medio) con buenos resultados. Para validar el proceso de decantación lastrada usando floculantes naturales era necesario repetir la planta de demostración en un nuevo lugar con agua cruda de turbiedad mayor de 40 NTU. La planta de tratamiento de agua potable de Los Laureles (Tegucigalpa, Honduras C.A.), propiedad del SANAA (Servicio Autónomo Nacional de Acueductos y Alcantarillado) fue seleccionada debido a la presencia de dos líneas de decantación lastrada en paralelo y al agua cruda con turbiedad muy alta, 100-200 NTU y color aparente alto, 250 CU Pt-Co. Los floculantes naturales se seleccionaron empleando la metodología del ensayo de jarras adaptado a la floculación lastrada, y tres de ellos fueron ensayados en planta. El almidón modificado catiónico aplicado en lugar de la poliacrilamida no iónica en el proceso de decantación lastrada en el agua cruda de turbiedad de 80-90 NTU y color aparente de 250 UC Pt-Co, alcanzó una turbiedad de 2 NTU (percentil 45-48), 3 NTU (percentil 76-80) y 5 NTU (percentil 95-98) en el agua decantada, y turbiedad inferior a 0,3 NTU (percentil 90) en el agua filtrada. Estos resultados fueron similares a los obtenidos con la poliacrilamida no iónica. También se analizó la materia orgánica natural (NOM) en el agua cruda y el agua filtrada usando la metodología de LCSEC-OCD para describir la reducción de las fracciones de la NOM en la floculación lastrada y filtración. Se estudió el potencial de formación de trihalometanos (THMPF) en el agua cruda y el agua filtrada por GC/MS.

Palabras clave: Decantación lastrada, floculantes naturales, materia orgánica natural, potencial de formación de trihalometanos.

Introducción A finales de 2005, el Ministerio de Sanidad de España restringió el uso de polímeros basados en poliacrilamida a una dosis promedio de 0,02 mg/L, permitiendo que la dosis máxima fuera de 0,05 mg/L, prohibiéndose su empleo en 2009. De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS), el examen toxicológico de la acrilamida monómero muestra que causa cáncer en los animales y, en altas dosis, puede causar daño a los nervios en los seres humanos. Los floculantes naturales sustitutos de la poliacrilamida eran de acuerdo con la normativa española: almidón modificado y alginato de sodio. Otros compuestos sustitutos de la poliacrilamida eran los coagulantes orgánicos en base a polydadmac y la sílice activada como floculante inorgánico. El proceso de decantación lastrada (Plum et al., 1998) aplicado al proceso de agua potable permite operar a velocidades de decantación de 40-60 m3/m2.h con la combinación de los flóculos formados con poliacrilamida y lastrados con microarena (Kjaer, 2001). Para validar este proceso en las condiciones de operación sin poliacrilamida, en septiembre de 2006 se llevó a cabo un proyecto de demostración con aguas de embalse en Valmayor, España, con almidón y polydadmac aplicados al proceso de decantación lastrada en agua de muy baja turbidez (2 NTU en promedio). Aunque los resultados fueron satisfactorios (Guerrero et al., 2007), era necesario validar la producción de agua potable sin poliacrilamida usando agua cruda de turbidez superior a 40 NTU, y así validar el proceso de decantación lastrada con diferentes niveles de turbidez. La planta de tratamiento de agua potable de Los Laureles (Tegucigalpa, Honduras C.A.) propiedad del SANAA (Servicio Autónomo Nacional de Acueductos y Alcantarillado) fue seleccionada aprovechando la existencia de dos líneas de decantación lastrada en paralelo y operando con agua cruda de alta turbidez (100 – 200 NTU y hasta 1700 NTU) y alto valor de color, de 250 UC Pt-Co hasta 500 CU Pt-Co (ambos valores máximos registrados en 2

agosto). Los trabajos en planta y en condiciones reales de operación se llevaron a cabo en Los Laureles del 11 de julio hasta el 20 de julio de 2008. Junto a los ensayos en planta, se realizaron ensayos de jarras en paralelo y se tomaron muestras de agua para su análisis en el laboratorio central del SANAA y muestras para el análisis de materia orgánica natural y potencial de formación de trihalometanos.

Objetivos Este proyecto de demostración tuvo como objetivo estudiar varios floculantes naturales en base a almidón o alginato como alternativa a la poliacrilamida tanto a nivel de ensayo de jarras realizado in situ, como en planta a escala real utilizando agua cruda con alta turbidez (80-90 NTU). En un segundo nivel se estudió la influencia del tratamiento en la reducción del potencial de formación de trihalometanos y la evolución de la composición de la materia orgánica natural.

Planta de tratamiento de agua Los Laureles Los Laureles es uno de los dos embalses de los que dispone el SANAA para abastecer de agua potable a la ciudad de Tegucigalpa. Los Laureles dispone de una cuenca muy extensa pero con relativa poca capacidad de almacenamiento. Debido a estas características se producen tres situaciones específicas y especiales: en épocas de lluvias, generalmente desde finales de Mayo – primeros de Junio, el embalse puede crecer hasta 10 ó 15 m. de nivel en una sola tarde. Esta situación perdura hasta Noviembre, época en la que el nivel del embalse comienza a decrecer. Esta circunstancia viene acompañada por un extraordinario aumento de la turbiedad e incremento de la materia orgánica, llegando hasta niveles de turbiedad de 2000 NTU. Los valores normales de turbiedad son del orden de 80 NTU. Durante esta época de lluvias, el nivel del embalse sube por encima de la cota de rebose (1033 m. snm), estando situada la cota de toma de fondo, aproximada en la cota 995 m. En épocas de carencia de lluvias, el nivel del embalse baja constantemente lo que obliga al SANAA a controlar el caudal de tratamiento de la planta para salvaguardar los niveles mínimos de almacenamiento. La llegada a la planta de tratamiento tradicional, situada en la cota 1028 m, se abastece por gravedad hasta que el nivel del embalse alcanza esa cota, siendo bombeada hasta la planta por debajo de la misma. La capacidad de tratamiento de la planta instalada tradicional es de 700 – 800 l/s. El tratamiento consiste en una decantación lamelar, seguida de filtración monocapa por gravedad, precloración y postcloración. Cuando se dan las circunstancias de lluvias extensas, se dispone de un caudal superior al que puede tratar la planta y precisamente, cuando más volumen de agua se puede tratar, se da la circunstancia especial, antes mencionada, de bruscas subidas de la turbiedad en períodos determinados de tiempo. Cuando estas situaciones se dan la planta tradicional no puede tratar el agua con altas turbiedades (> 250 NTU) a su capacidad nominal viéndose obligado los técnicos del SANAA a rebajar las prestaciones de la planta en lo que a caudal de tratamiento se refiere. Precisamente por las circunstancias específicas que se dan en las áreas de Centroamérica, El Caribe y en general en zonas con alto nivel de pluviometría y en concreto en la Ciudad de Tegucigalpa, llevaron al estudio y decisión posterior, por parte de los Servicios Técnicos del SANAA, de instalar una planta de tratamiento con la tecnología adecuada para: tratar agua con turbiedades superiores a 250 NTU sin merma de su capacidad de tratamiento y aumentar la capacidad de tratamiento instalada, aprovechando la disponibilidad de mayor caudal en las épocas de lluvias intensas. La planta con tecnología de decantación lastrada se instaló en la cota 1022 m. snm aprovechando la misma obra de llegada que la planta tradicional y alimentando al mismo depósito de agua ya tratada, ubicado en la cota 1020 m. Las características fisicoquímicas de las diferentes aguas de Honduras, la disponibilidad de productos químicos en función de: precios, origen, calidades y otras especiales características determinan que La Dirección del SANAA decida y elija unos productos determinados para las plantas de todo el País. Los productos comúnmente utilizados por SANAA son: Sulfato de alúmina en grano como coagulante, polímero no iónico como floculante. Con estos productos funciona la tecnología instalada de decantación lastrada.

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Materiales y Métodos Para la evaluación en laboratorio de la eficiencia de los floculantes naturales se tomaron muestras diarias en planta de agua cruda que fueron sometidas al ensayo de jarras. El ensayo de jarras para procesos de decantación lastrada con microarena fue descrito en trabajos anteriores (Shina et al., 2002) para la aplicación de floculantes como la poliacrilamida. En el caso de los floculantes naturales se adaptaron las condiciones del ensayo al diferente comportamiento de almidones y alginatos (Tabla 1). TABLA 1: Condiciones del ensayo de jarras con floculantes naturales FASE VELOCIDAD DE AGITACION DURACION COAGULACION 160 rpm 2 minutos MICROARENA/FLOCULACION 160 rpm 3 minutos SEDIMENTACION 0 rpm 3 minutos La Tabla 2 presenta la lista de reactivos empleados en los ensayos de jarras y en planta, estos últimos seleccionados en función de los resultados obtenidos previamente en los ensayos de jarras realizados en el laboratorio de planta con agua cruda fresca. De los diferentes floculantes naturales ensayados se seleccionaron tres para los ensayos en planta a escala real: almidón catiónico 3807, almidón aniónico 3801 y alginato 3804. TABLA 2: Reactivos empleados a escala laboratorio y en planta a escala real REACTIVO ENSAYO DE JARRAS ENSAYO EN PLANTA Sulfato de aluminio Sí Sí Poliacrilamida no iónica Superfloc N-300 Sí Sí Almidón catiónico 3807 Sí Sí Alginato sódico 3804 Sí Sí Almidón aniónico 3801 Sí Sí Almidón no iónico Wisprofloc N Sí No Polydadmac PD420 Sí No Policloruro de aluminio PAX XL 10 Sí Sí Poliacrilamida aniónica 3521 Sí Sí Polydadmac PD340 Sí No Hipoclorito de calcio Sí No En los ensayos en planta, aprovechando la doble línea de tratamiento de decantación lastrada seguida de filtración multicapa, se mantuvo una línea con poliacrilamida no iónica como floculante y en la segunda línea se dosificaron los floculantes naturales en las mismas condiciones de operación en la decantación lastrada, con una velocidad de espejo de 50 m/h (caudal de agua cruda de 135–137,5 m3/h; caudal de recirculación 7-8 m3/h y superficie lamelar de 2,6 m2). La dosis de poliacrilamida no iónica fue 0,45-0,49 mg/L, mientras la dosis de almidón catiónico 3807 varió entre 2 a 4 mg/L y 2,3 a 3,8 mg/L y entre 2 y 4 mg/L para el resto de floculantes naturales. La dosificación de coagulante como sulfato de aluminio o policloruro de aluminio XL 10 fue de 50 mg/L. Sobre la caracterización del agua cruda y los cambios producidos en el proceso de decantación lastrada, filtración y desinfección, se centraron los esfuerzos en la determinación del potencial de formación de trihalometanos que se realizó sobre muestras tomadas a la entrada de la decantación lastrada y a la salida de la filtración multicapa, mediante la técnica analítica de cromatografía de gases GC/MS. La determinación de la composición de la materia orgánica natural se realizó sobre el mismo tipo de muestras mediante la técnica analítica de cromatografía líquida de exclusión con detección de carbono orgánico disuelto, ultravioleta y nitrógeno orgánico disuelto (LCSEC-OCD), que permitió obtener la concentración de las fracciones correspondientes a: Biopolímeros ó Sustancias Poliméricas Extracelulares como polisacáridos, polipéptidos, proteínas y aminoazúcares (SPE), Sustancias Húmicas (SH), Fragmentos de las Sustancias Húmicas con peso molecular entre 300 y 450 g/mol (FSH), Compuestos de bajo peso molecular ligeramente hidrófilos o hidrófobos (N), y Ácidos orgánicos alifáticos de bajo peso molecular (A). La caracterización del agua cruda y del agua decantada y filtrada se realizó mediante análisis en el laboratorio central 4

sito en la misma planta de tratamiento de agua potable de Los Laureles, determinando los parámetros de color, pH, aluminio residual, y cloro residual. Otros parámetros analizados posteriormente en laboratorio fueron: materia en suspensión, carbono orgánico disuelto, color, conductividad, pH, turbidez, absorción UV a 254 nm, recuento de partículas y distribución de tamaño de partícula, compuestos orgánicos volátiles, plaguicidas, e hidrocarburos aromáticos policíclicos. Respecto a las condiciones de operación en planta, se registraron las principales variables de proceso (caudal, turbidez, pH, pérdida de carga de los filtros multicapas, etc.) mediante un sistema de adquisición de datos (SCADA).

Resultados y Discusión Para comparar el rendimiento de la decantación lastrada usando floculantes naturales y poliacrilamida no iónica se aplicó el proceso de evaluación de la fiabilidad del proceso respecto a la turbidez del agua decantada y del agua filtrada. Para ello se generaron los gráficos de distribución de probabilidad con el programa Minitab 14. Todos los datos se obtuvieron de los datos de registro SCADA. Para comparar los valores de turbidez en cada ensayo se seleccionó el percentil 90 como valor de referencia. Para el ensayo en planta se mantuvo siempre una línea de tratamiento con poliacrilamida no iónica y en la segunda línea se dosificó el floculante natural. Los floculantes naturales seleccionados tras los ensayos de jarras fueron un almidón catiónico, un almidón aniónico y un alginato. Con el mejor de los tres (almidón catiónico) se repitió un nuevo ensayo para confirmar los resultados obtenidos. Las figuras 1 a 4 muestran los gráficos de probabilidad de cada ensayo realizado con almidón catiónico, almidón aniónico y alginato, mientras la figura 5 muestra los resultados obtenidos con la poliacrilamida no iónica. La tabla 3 muestra el valor de turbidez para el percentil 90 para agua cruda, salida de decantación lastrada y salida de filtración multicapa, siendo el almidón catiónico 3807 el floculante natural que presentó una fiabilidad y eficiencia más similar a la poliacrilamida no iónica tanto en el agua decantada como en el agua filtrada. El alginato 3804 y el almidón aniónico 3801 presentaron unos valores de turbidez en el agua decantada muy superiores a los obtenidos con la poliacrilamida no iónica. La tabla 4 muestra el valor del percentil 90 para alcanzar un valor de turbidez a la salida de la decantación lastrada de 2, 3 y 5 NTU, valores tomados como referencia en el proceso de decantación lastrada. Para valores de salida de la decantación lastrada de 2, 3 y 5 NTU, el almidón catiónico 3807 presentó la fiabilidad más similar a la obtenida con la poliacrilamida no iónica. TABLA 3: Valor del percentil 90 para la turbidez del agua decantada y filtrada (en NTU) ENSAYO FLOCULANTE AGUA CRUDA DECANTACION LASTRADA AGUA FILTRADA 1 Almidón 3807 90,3 4,08 0,24 2 Alginato 3804 88,4 34,05 0,12 3 Almidón 3801 85,8 27,87 0,34 4 Almidón 3807 69,4 3,65 0,3 Referencia Poliacrilamida N-300 195,2 3,5 0,29 TABLA 4: Valor del percentil de la turbidez para los diferentes objetivos de calidad en el agua decantada ENSAYO FLOCULANTE 2 NTU 3 NTU 5 NTU 1 Almidón 3807 48 76 95 2 Alginato 3804 0 0 0 3 Almidón 3801 36 45 58 4 Almidón 3807 45 80 98 Referencia Poliacrilamida N-300 17 75 98

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Figura 1: Distribución de probabilidad de la turbidez en el ensayo 1, con Almidón 3807.

Figura 2: Distribución de probabilidad de la turbidez en el ensayo 2, con Alginato 3804.

Figura 3: Distribución de probabilidad de la turbidez en el ensayo 3, con Almidón 3801.

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Figura 4: Distribución de probabilidad de la turbidez en el ensayo 4, con Almidón 3807.

Figura 5: Distribución de probabilidad de la turbidez con la poliacrilamida no iónica N-300. La reducción de la materia orgánica natural se muestra en la tabla 5 para tres series de muestras tomadas en el proceso de decantación lastrada y filtración multicapa empleando poliacrilamida no iónica en la floculación lastrada. Los días 17 y 19 presentaron composiciones similares de NOM en el agua cruda, pero el día 20 debido a un episodio de lluvias el valor del carbono orgánico disuelto COD aumentó y de forma proporcional sus diferentes fracciones. La reducción del COD fue del 56,7% para el día 17, 46,9% para el día 19 y del 60% y 61,2% para el día 20. La reducción de las sustancias húmicas (precursores de THM), fracción eliminable en el proceso de coagulación y floculación fue del 77% para el día 17, 60,6% para el día 19 y del 75,9% y 76,1% para el día 20. La fracción FSH presenta una reducción del 19,7% al 30,5%, la fracción A se elimina hasta el límite de cuantificación (1 µg/L) y la fracción N no presenta reducción. TABLA 5: Composición de la materia orgánica natural analizada. Concentraciones expresadas en µg C/L MUESTRA COD SPE SH FSH N A Cruda 17/7/08 4789 167 3343 671 538 70 Filtrada 17/7/08 línea B 2072 41 770 539 593