CLARIFICACION DE AGUA POR FLOTACION CON AIRE DISUELTO APLICACIONES DESARROLLADAS EN URUGUAY Y BRASIL Gross Francisco, Cristar Víctor, Richter Carlos SEINCO S.R.L. - Ituzaingó 1258 - CP 11000 - Montevideo tel. (00598 2) 96.15.65 - 96.15.67 - fax (00598 2) 96.39.62 SUMARIO El informe propone una rápida revisión respecto de la experiencia de uso del proceso de clarificación por flotación por aire disuelto (FAD) aplicado a la potabilización de agua de uso doméstico en Uruguay y Brasil. Los resultados obtenidos a partir de aplicaciones en más de 15 instalaciones en estos países, desarrolladas en distintas condiciones de calidad de agua bruta y para muy diferentes escalas, permiten augurar un favorable desarrollo de la tecnología en la región, especialmente para el tratamiento de aguas y/o coloreadas.

Palabras claves:

flotación, clarificación, aire disuelto INTRODUCCIÓN

Las crecientes exigencias en cuanto a calidad de agua potable, sumadas al deterioro en los niveles de calidad de las fuentes, con mayor ocurrencia de aguas eutróficas, han llevado a intensificar los estudios en cuanto a incorporar procesos tecnológicos costo eficientes que permitan operar en las nuevas condiciones. El proceso de clarificación por Flotación por Aire Disuelto (FAD) ha demostrado ser muy efectivo y eficiente en términos de remoción de material particulado presente en el agua. Esta cualidad es excepcionalmente apropiada para el caso flóculos de baja densidad (ej. algas, flóculos conformados a partir de coloides de pequeños diámetro causantes de color y baja turbiedad). En este trabajo, se describe la experiencia de este equipo técnico en la aplicación de la tecnología en varios casos a escala real en Brasil y Uruguay, para distintas condiciones de caudal, turbiedad, color y condición de ampliación de planta ó unidadnueva. Se describen también los procedimientos de ensayo de laboratorio empleados y los resultados de calidadobtenidos.

ANTECEDENTES DEL PROCESO El proceso de clarificación de agua potable por flotación con Aire Disuelto (FAD) es conocido desde los años 60, a través de varias aplicaciones y estudios (Reino Unido, Países Escandinavos, Holanda, Australia, Sudáfrica, etc.). No obstante, su utilización aún continúa siendo extraordinaria a pesar de sus grandes ventajas operativas. En efecto, la flotación resulta ser un proceso mucho más eficiente que la decantación para la remoción de partículas de baja densidad. Partículas con tales características incluyen bacterias, algas, cistos de protozoarios y flóculos de hidróxido de aluminio, resultantes de la coagulación orgánica. En tal caso, estas partículas que constituyen un serio problema para los procesos convencionales, resultan para el caso de la FAD, de sencilla y eficaz remoción, como lo evidencian numerosos ensayos realizados, según se cita en capítulo seguido (información recabada en ensayos realizados en Brasil y Uruguay por los redactores de este trabajo).

La Flotación por Aire Disuelto es un proceso que permite remover las partículas presentes en el agua haciéndolas flotar, por medio de la adhesión de pequeñísimas burbujas de aire. En este proceso, las microburbujas de aire, son generadas por la súbita reducción de presión en la corriente líquida saturada de aire, proveniente de una cámara o tanque saturación. En efecto, por medio de una bomba, una pequeña cantidad de agua clarificada (5 a 10 % del caudal que pasa por la unidad) es presurizada hasta un valor de 4 a 5,5 bar y conducida a un tanque de saturación, donde la concentración de aire disuelto alcanza su correspondiente valor de saturación. El aire es provisto mediante compresor controlado según demanda del sistema. Esta agua presurizada y saturada de aire, es distribuida a la entrada del agua floculada a la celda de flotación, donde mediante brusca descompresión, se propicia la liberación del exceso de aire en forma de diminutas burbujas. Estas a su vez, se adhieren rápidamente a los flóculos preformados haciéndolos flotar. Los flóculos ascienden y se acumulan en la superficie del recinto de flotación, formando una capa de lodo de espesor creciente, que se remueve periódicamente mediante raspadores superficiales. En figura 1 se indica un esquema funcional del proceso. Las leyes físicas que gobiernan el movimiento de partículas en un medio viscoso (en este caso el agua), aplicables a decantación y flotación indistintamente, pueden resumirse en la ley de Stokes: Install Equation Editor and doubleclick here to view equation. donde: v = velocidad d = diámetro de la partícula. rho = densidad de la partícula. Los flóculos de sulfato de aluminio tienen densidades en el entorno de 1,005 y diámetros de 1 a 3 mm. Con la incorporación de microburbujas de aire, la densidad se reduce a valores de aprox. 0,98, con lo que se obtienen velocidades de flotación, en valor absoluto, diez o más veces superiores a las velocidades de sedimentación de los flóculos formados en las mismas condiciones. En efecto, si a un flóculo que sedimenta a una velocidad de 2,8 cm/min ( 40 m3/m2/día) se le agrega un volumen de aire del 30 % de su volumen original, la baja densidad resultante provocaría una velocidad ascensional del flóculo aligerado del orden de 30 cm/min. La tasa superficial equivalente a esta velocidad es de 518 m3/m2/día. En la práctica, se adoptan valores como los de la Tabla 1, que resume la experiencia mundial del proceso.

TABLA 1 - Síntesis de los principales parámetros operacionales de sistemas de FAD Parámetro

• Tiempo de floculación (min) • Tiempo de flotación (min) - Tasa de escurrimiento superficial (m3/m2.día) - Tasa de recirculación (%) - Presión de saturación (bar) • Remoción de lodo - Proceso - Frecuencia • % de sólidos en el lodo

Holanda

Finlandia

Reino Unido Escandinav Brasil y ia Uruguay

8-16

30-45

20-29

26-29

18-24

nd (2) 240-480

10-160 72-192

5-20 120-290

12-15 96-170

10-15 180-200

6,5-15 4-8

5,6-42 3-7

6-10 3,1-8,3

4-14 4,7-5,5

5-10 4,5-5

nd nd

nd 0-24º

mecánico 0-2

hidráulico -

mec/hidr 0-24

0,1-8

3

0,3-3

0,1-6

3-7

En síntesis se valoran las siguientes ventajas del proceso de flotación: -

Sensible economía de productos químicos, con una reducción posible de hasta 20 a 30 % de coagulante, no siendo necesaria la adición de auxiliares de coagulación como polímeros para dar peso al flóculo.

-

Gran eficiencia en la remoción de sólidos suspendidos, generalmente superando los valores obtenibles con los decantadores más eficientes. De acuerdo a la experiencia evaluada de anteriores estudios, resulta perfectamente factible obtener valores de turbiedad de agua clarificada por flotación inferiores a 1 NTU. De esta manera la carga de flóculos a los filtros disminuye en forma significativa, determinando mejoras en la calidad de agua filtrada y mayor duración de carreras de filtración.

-

La flotación permite remover algas que frecuentemente causan serios problemas en la decantación y en la filtración y produce agua de sabor agradable y saturada de oxígeno.

-

El lodo flotado contiene un tenor de sólidos generalmente superior al 3 %, lo que facilita su disposición final mediante secado directo en filtro de bandas o prensa, previo a su disposición final en relleno sanitario.

-

Dada la similitud de tasas de diseño superficiales, la celda de flotación puede disponerse directamente sobre el lecho filtrante, resultando en una mayor compacidad de la instalación.

DESCRIPCIÓN Y EVALUACIÓN DE ENSAYOS DE TRATABILIDAD POR FLOTACIÓN Procedimiento de ensayo Para la realización de los ensayos de flotación, se ha adaptado a las nuevas circunstancias el procedimiento usual de test de jarras (Jar - Test), con auxilio de un tubo de saturación de agua con aire presurizado. Se utiliza un equipo de seis jarras (sistema original de Phips & Bird) con un sistema mecánico que asegura la misma velocidad en cada eje. Cada eje termina en una paleta de forma rectangular que sirve de agitador. La velocidad de giro de las paletas es modificada mediante un variador electromecánico y se cuenta con un instrumento de medida de la misma (tacómetro). Es conveniente que un instrumento de medición de tiempo (timer) sea incorporado al sistema y cuente con una señal sonora que anuncie el tiempo transcurrido.

La forma de las jarras es un factor determinante en los ensayos. Se han utilizado jarras de forma prismática, con base cuadrada, con capacidad para dos litros de agua, de acuerdo al diseño de Hudson, y en las cuales las muestras se extraen a una altura constante de 10 cm bajo el pelo de agua, mediante orificio con válvula en la pared del vaso. De esta manera resulta factible correlacionar cargas de diseño y componer resultados con ensayos de decantación. El agregado de productos debe hacerse en forma lo más simultánea posible en todas las jarras (vasos), utilizando jeringas hipodérmicas, las cuales permiten gran rapidez de agregado por parte del operador y alto grado de simultaneidad. El equipo de saturación de la mezcla agua/aire consiste en un cilindro de PVC, con tapas de poliamida, con válvulas de entrada de agua y de aire, válvula de purga, y válvula de salida de la mezcla agua/aire. La presión de trabajo utilizada es de 4,5 a 5 bars y se mide con un manómetro colocado en la tapa superior del equipo. La mezcla agua/aire saturadas, sale por una tubería flexible de goma que cerca de su extremo final posee una válvula de aguja. Esta válvula permite regular el caudal agregado al vaso, y en ésta se provoca la brusca descompresión. Los ensayos de flotación en laboratorio, siguen simplemente la metodología común de un ensayo de coagulación convencional, con la diferencia de que al final de la etapa de floculación, se retira del vaso un volumen de agua floculada correspondiente a la tasa de recirculación y se repone con agua saturada de aire, proveniente de tubo de saturación. El agregado de agua saturada con aire, se hace lentamente, hasta completar el volumen original en el vaso, permitiendo la realización de una mezcla homogénea de las micro-burbujas con los flóculos ya formados. En esta condición se produce una rápida ascensión de los flóculos a la superficie del líquido en el vaso, procediéndose luego de un intervalo prefijado a extraer la muestra para medición de turbiedad. Se indica en Fig. 2 una fotografía del equipamientos de ensayos utilizado. Síntesis de resultados obtenidos La aplicación de la tecnología enumerada ha permitido desarrollar en los últimos 4 años numerosos estudios y aplicaciones, donde se han verificado las ventajas de la aplicación del proceso en muy diferentes circunstancias (variaciones de turbiedad, color, presencia de algas, escala, etc). Se exponen a continuación algunos de los resultados obtenidos medidos a través de la turbiedad de agua clarificada para procesos de flotación y decantación, aplicando la metodología de ensayos descrita en el capítulo anterior. Se puede observar en todos los casos una significativa mejora en los niveles de turbiedad del agua flotada, que puede ser valorada más adelante en el proceso a través de una mejora de calidad de agua filtrada y/o reducción en el consumo de productos químicos.

Fig.2 - Instrumental de ensayos de floculación flotación utilizado

Fig.3 - Resultados de ensayos de clarificación por flotación vs. decantación

Fig.3 (cont.) - Resultados de ensayos de clarificación por flotación vs. decantación

AMÉRICA LATINA Se presentan a continuación los distintos casos de aplicación de la tecnología, desarrollada por los autores de este trabajo con numerosos casos de instalaciones operando en Brasil y Uruguay. Se destacan las distintas condicionantes de uso, a saber: Turbiedades bajas a altas (1 a 100 NU) Color (1 a 80 UPC) Caudales (15 l/s a 4m3/5) Remodelación y ampliación de unidades existentes Estaciones de Potabilización completamente nuevas Se presenta en Fig. 4 fotografías de celdas de flotación y filtración en ETA La Barra - Uruguay (600 m3/h).

Tabla 2 Nº

Ciudad - Estado - País

Capacidad (l/s)

Fecha

Observaciones

BRASIL 1

Ind, DOHLER, Joinville, SC Brasil.

2 x 60

1992

En operación

2

Jaraguá do Sul, SC - ETA3 Brasil.

2 x 125

1993

En operación

3

Jaraguá do Sul, SC - ETA1- Brasil.

125

1995

En operación, adaptación de decantación a flotación

4

Ural, Curitiba, PR - Brasil.

4200

1993

En fase de licitación

5

Campo Largo, PR - Brasil.

2 x 250

1994

En fase de licitación

6

Jahu, SP - Brasil.

330

1994

En construcción

7

Brusque, SC - ETA1 - Brasil

250

1995

Existente, adaptación de decantación en placas planas paralelas a flotación

8

Brusque, SC - ETA2- Brasil

200

1995

Existente, adaptación de decantación en placas planas paralelas a flotación

9

Foz de Iguazú I, PR - Brasil

300

1996

En construcción, adaptación de la ETA existente a FAD

10

Foz de Iguazú II, PR - Brasil

300

1996

En construcción, adaptación de la ETA existente a FAD

11

Foz de Iguazú III, PR - Brasil

700

1996

En fase de aprobación

12

Brasilia - Brasil

3300

1996

En fase de aprobación

13

ITU, SP - Brasil

15

1996

Modular - en operación

14

Itapebí, SP - Brasil

30

1996

Modular - en construcción

URUGUAY 1

José Ignacio, Maldonado Uruguay

15

1993

En operación desde 1/94

2

La Barra, Maldonado - Uruguay

160

1993

En operación desde 3/94

3

Laguna del Sauce, Maldonado Uruguay

2000

1993

Existente, adaptación de sistema de manto pulsante de lodos a FAD - En fase de

4

Industria CUCPSA, Lavalleja Uruguay

15

1996

En construcción

CONCLUSIONES La experiencia evaluada de aplicación de la tecnología en América Latina ha permitido verificar las bondades de la misma en términos de calidad del producto obtenido, menores costos de inversión y flexibilidad para su aplicación en el caso de renovación y ampliación de Plantas Potabilizadoras existentes. En estas condiciones, se estima por demás promisorio el desarrollo de la tecnología a nivel regional, a fin de contar con una nueva herramienta, de gran confiabilidad, que permita alcanzar mejores niveles de calidad de agua potable con menores recursos económicos.

Fig. 4 - Fotografías de celdas de flotación y filtración en ETA La Barra - Uruguay (600 m3/h)