CLARIFICACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES EN LOS PROCESOS SIDERÚRGICOS

Caridad Naomí Laria Piedra *, Eduardo Arla Martínez **, Felix J. Hernández Dorta **, Osmany Martínez Peña **

* Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría. Ing. Química, MSc. Saneamiento Ambiental ** Empresa Siderúrgica “José Martí”. Ingeniero Químico

INTRODUCCIÓN

Mundialmente las industrias de producción del acero son consideradas entre las mayores consumidoras de agua. La empresa siderúrgica “José Martí” (Antillana de Acero) consume anualmente alrededor de los 284320 m3 de agua lo que la ubica como la de mayor consumo en la Ciudad de La Habana. En las cuatro plantas de tratamiento de agua que posee la empresa se realizan procesos de ablandamiento y clarificación que garantizan la calidad de las aguas para su utilización en los procesos de enfriamiento en el complejo sistema de fundición y laminado del acero. Específicamente en la planta No. 2 se trata el agua proveniente del contralavado de los filtros mecánicos, en el sedimentador y se utilizan como reactivos en la coagulación floculación, Lipesa 720 y Lipesa 725 ambos importados, de alto costo y que encarecen en gran medida el proceso de tratamiento. La experiencia de un trabajo anterior de ingeniería de procesos en la planta permitió conocer además de problemas en la dosificación de reactivos químicos, la presencia de un alto contenido de aceites y grasas en el volumen de agua a tratar, así como resultados satisfactorios en la aplicación de reactivos de procedencia nacional. Teniendo en cuenta los aspectos anteriormente señalados se definieron los siguientes objetivos para el presente trabajo: 1. 2.

Determinación de las mejores dosis en las combinaciones de Lipesa 720 – sulfato de aluminio y Lipesa 720 – sulfato de aluminio – zeolita natural a escala de laboratorio. Realizar a escala de planta las pruebas de las mejores variantes de dosificación de reactivos obtenidos a escala de laboratorio.

CARACTERIZACIÓN TECNOLÓGICA DE LA PLANTA No. 2

La planta No. 2 se abastece fundamentalmente de agua de pozo hidrógenocarbonatada cálcica, que es utilizada para el enfriamiento primario, secundario y terciario del proceso de producción de palanquillas. La misma realiza sus funciones a partir de dos ciclos. Un ciclo limpio en el cual el agua no se pone en contacto directo con el metal y el ciclo sucio donde el agua se expone directamente a toda la superficie del producto. Con vista a disminuir en la mayor medida posible las incrustaciones provocadas por la alta dureza cálcica (aproximadamente 320 mg/L) del agua cruda es necesario un tratamiento previo a su utilización.

Este tratamiento inicial se lleva a cabo en los suavizadores, equipos que contienen en su interior un lecho de una resina catiónica fuerte, que permite el intercambio de los iones di y trivalentes (fundamentalmente Ca2+ ) presentes en el agua por los iones Na+ que posee la resina dando como resultado un agua totalmente blanda. El agua suavizada obtenida aquí es la utilizada para el llenado de los tanques E – 3 (ciclo limpio) y E- 7 (ciclo sucio), así como para reponer las pérdidas que ocurren en el transcurso del proceso. Este trabajo se enmarca fundamentalmente en el ciclo sucio. A continuación se describirá detalladamente el mismo. Este ciclo comienza en el estanque E – 7 de volumen 350 m3 donde se encuentra el agua que será empleada en el circuito secundario de este proceso. La misma es succionada a partir de cuatro bombas centrífugas de 1770 rpm y presión de descarga de 7 – 8 atm impulsando un flujo de 200 m3 por hora ; de estas permanecen en reserva dos de ellas. El agua llega a los spray , equipos ubicados con el objetivo de atomizar el agua y hacer que ésta entre en contacto directo con las cuatro caras superficiales de la pieza, lográndose así la solidificación completa de la misma a la salida de este proceso. Una parte del agua es evaporada al ponerse en contacto con el metal al rojo vivo y por otra parte se produce de forma instantánea la oxidación del mismo, formándose así una capa de óxido (cascarilla) que es arrastrada por el agua que cae en los canales de conducción. También la misma es contaminada por aceite proveniente esencialmente de los salideros presentes en las máquinas. Los filtros mecánicos son 3, funcionan a presión y flujo descendente. Los mismos poseen un diámetro de 4,2 m y una altura de 4,63 m y contiene como medio filtrante arena sílice. Estos filtros permiten la retención de los sólidos en suspensión que trae el agua, fundamentalmente óxido de hierro, que tienen como característica principal ser muy pesados, quedando estos en el seno del medio filtrante empleado. El contralavado de los filtros se realiza cada 72 horas (alternadamente) donde queda eliminado gran parte de los sólidos retenidos en la arena y dejando listo así este lecho para continuar operando. El agua de contralavado empleada es recuperada. La misma es conducida hacia el estanque E – 6 , que posee una capacidad de 100 m3 y cuya función es recepcionarla temporalmente, para posteriormente bombearla hacia el clarificador. A flujo de 100 m3 / h el agua es impulsada por bombas y llega a la parte superior del clarificador, equipo de operación discontinua, que posee las dimensiones siguientes: ♦ ♦ ♦ ♦

Altura total: Altura cilíndrica: Diámetro: Volumen:

(ht = 13 620 mm) (hc = 8 120 mm) (D = 4 000 mm) (V = 110 m3 )

El agua entra a la cámara cilíndrica interior del equipo donde se le suministra manualmente, una vez cargado 1 kg de coagulante Lipesa 720, posteriormente es agitada durante 4 minutos con aire, lográndose así el mezclado de este producto con agua. Una vez transcurrido este tiempo se le suministra similarmente la Lipesa 725 en una dosis de 0.2 kg, cuya función es de floculante, se agita nuevamente y se le deja reposar 8 horas aproximadamente.

Durante este tiempo el agua es obligada a ascender, el producto de la propia geometría del equipo por la cámara cilíndrica exterior y por otra parte las partículas (impurezas) van logrando su aglomeración y formación de los flóculos que van sedimentando y concentrándose en la parte cónica inferior. Diariamente este lodo concentrado es extraído mediante una válvula manual ubicada en la parte inferior del clarificador. Es válido destacar que durante el proceso de clarificación se observa la formación de una capa de grasa en la parte superior del equipo.

CORRIDAS EXPERIMENTALES A ESCALA DE LABORATORIO Con la aplicación del método de Prueba de Jarras se realizaron varias corridas experimentales con el objetivo de seleccionar las dosis óptimas en las diferentes propuestas de dosificación de los reactivos químicos utilizados en los procesos de coagulación floculación que ocurren en el clarificador. Alternativa 1: Selección de las mejores dosis de coagulantes Lipesa 720 y sulfato de aluminio. Alternativa 2 : Selección de las mejores dosis de coagulantes Lipesa 720, sulfato de aluminio y floculante zeolita. Para seleccionar las mejores dosis el trabajo se concentró en tres parámetros fundamentales: el índice de Willcombs (I.W.) , la turbiedad y sólidos suspendidos. La turbiedad fue medida a partir del método de la formazina, utilizando para ello un fotocolorímetro con longitud de onda de 540 mm. Los valores de absorbancia (A) obtenidos fueron llevados a un gráfico de absorbancia VS turbiedad en unidades de formazina y posteriormente convertidos a unidades nephelométricas (n.t.u.) multiplicando por el factor 0.07 . El valor máximo permisible es de 10 N.T.U. para el agua clarificada. Los sólidos suspendidos se realizaron por un método de separación y filtración, obteniéndose los resultados por diferencia de pesada en valores en el orden de mg/L. El valor límite en el agua clarificada es de 30 mg/L. Todas las disoluciones de Lipesa 720, zeolita y sulfato de aluminio fueron preparadas al 1%. En el caso de la Lipesa por recomendación del fabricante se calentó el agua hasta temperaturas entre los 35 – 40 0 grados centígrados y se agitó la disolución para lograr su completa homogenización. Teniendo en cuenta la inestabilidad en la calidad del agua a tratar en el clarificador y con el objetivo de ahorrar al máximo posible los productos químicos que se utilizan en el mismo se procedió a utilizar diferentes alternativas de dosificación de acuerdo con los parámetros del agua a la entrada del clarificador.

ALTERNATIVA 1

En la planta de tratamiento en el momento que se realizó el trabajo se dosificaba la combinación Lipesa 720 como coagulante y Lipesa 725 como floculante en una proporción de 10 mg/L y 2 mg/L respectivamente. Con el objetivo de sustituir completamente el uso de la Lipesa 725 por su alto costo y baja disponibilidad se realizaron corridas experimentales con el sulfato de aluminio, debido a su bajo costo y ser de procedencia nacional, que además permitió disminuir la dosis empleada de la Lipesa 720, producto de importación y de alto costo de adquisición. Partiendo de experiencias anteriores en la dosificación de sulfato de aluminio se escogió un intervalo de concentraciones entre 10 y 50 mg/L y de 1 a 5 mg/L de Lipesa 720.

Se realizaron las Pruebas de Jarras y los resultados obtenidos se muestran a continuación:

Tabla No. 1. Determinación de las mejores dosis a escala de laboratorio en la combinación de coagulantes Lipesa 720 – sulfato de aluminio. •

Aguas de entrada en un rango menor de 30 N.T.U.

(Alternativa 1) Absorbancia

Turbiedad

(A) Agua de entrada:

(u/n formazina)

0.18

Turbiedad

Sól. susp.

(N.T.U.) (mg/L)

300

21

266

No. Vaso

Dosis de Al2(SO4) 3.16H2O (ppm)

Dosis de Lipesa 720

I.W

Absorbancia (A)

Turbiedad (u/n formazina)

Turbiedad (N.T.U.)

Sólidos suspendido s (mg/L)

1 2 3 4

10 20 30 40

1 2 3 4

6-8 6-8 8 8

0.105 0.035 0.03 0.012

175 60 50 23

12.25 4.2 3.5 1.61

34.5 27 21.5 10.5

Tabla No. 2. Determinación de las mejores dosis a escala de laboratorio en la combinación de coagulantes Lipesa 720-sulfato de aluminio. •

Aguas de entrada en un rango 30 N.T.U. – 46 N.T.U.

(Alternativa 1) Absorbancia (A) Agua de entrada:

Turbiedad (u/n formazina)

0.32

Turbiedad

(N.T.U.)

533.3

Sól. Susp.

(mg/L) 37.3

686

No. Vaso

Dosis de Al2(SO4) 316H2O (ppm)

Dosis de Lipesa (ppm)

I.W.

Absorbancia (A)

Turbiedad (u/n formazina)

Turbiedad (N.T.U.)

Sólidos suspendidos (mg/L)

1 2 3 4

20 30 40 50

2 3 4 5

6-8 8 8 8

0.042 0.02 0.012 0.005

70 35 23 10

4.9 2.45 1.61 0.7

28.5 19.5 10.55 8.5

Absorbancia

Agua de entrada:

Turbiedad

Turbiedad

(A)

(u/n formazina)

(N.T.U.)

0.39

650

45.5

Sól. Susp. (mg/L) 715

No. Vaso

Dosis de Al2(SO4) 316H2O (ppm)

Dosis de Lipesa 720 (ppm)

I.W.

Absorbancia (A)

Turbiedad (u/n formazina)

Turbiedad (N.T.U.)

Sólidos suspendidos (mg/L

1 2 3 4

20 30 40 50

2 3 4 5

6 6 8 8

0.12 0.125 0.08 0.048

210 215 135 77.85

14.7 15.05 9.45 5.45

61.5 47.5 29.0 23.5

Tabla No. 3. Determinación de las mejores dosis a escala de laboratorio en la combinación de coagulantes Lipesa 720-sulfato de aluminio. •

Aguas de entrada en un rango mayor de 46 N.T.U. Absorbancia

Turbiedad

(A) Agua de entrada:

(u/n formazina)

0.42

700

Turbiedad

Sól. Susp.

(N.T.U.)

(mg/L)

49

778.5

No. Vaso

Dosis de Al2(SO4) 316H2O (ppm)

Dosis de Lipesa 720 (ppm)

I.W

Absorbancia (A)

Turbiedad (u/n formazina)

Turbiedad (N.T.U.)

Sólidos suspendidos (mg/L)

1 2 3 4

20 30 40 50

2 3 4 5

6 6 8 8

0.12 0.095 0.105 0.06

210 160 175 100

14.7 11.2 12.25 7

62.5 41.5 38.5 22

•

Para aguas de entrada en un intervalo menor a 30 N.T.U. se demostró durante dos corridas experimentales que con una dosis de 3 mg/L de Lipesa 720 y 30 mg/L de sulfato de aluminio se obtienen valores de índice de willcombs de 8, turbiedades menores de 10 N.T.U. y los sólidos suspendidos por debajo de 30 mg/L, por lo que con la adición de esta dosis se obtienen resultados satisfactorios en el proceso de coagulación-floculación.

•

Para aguas de entrada en un intervalo de 30 – 46 N.T.U. la dosis anterior deja de ser efectiva en dos de las tres corridas realizadas, por lo que se tomó como mejor dosis 4 mg/L de Lipesa 720 y 40 mg/L de sulfato de aluminio. Para esta dosis los parámetros cumplen los requisitos normados, por lo que se considera que esta dosis garantiza la efectividad del proceso.

•

Para aguas de entrada con valores mayores de 46 N.T.U. se realizaron tres corridas experimentales obteniéndose como mejor dosis la de 5 mg/L de Lipesa 720 y 50 mg/L de sulfato de aluminio. Los resultados demuestran que el agua a la salida del proceso de clarificación cumple los parámetros establecidos.

ALTERNATIVA 2

Partiendo de los resultados obtenidos en la dosificación de Lipesa 720 y sulfato de aluminio y tomando experiencias precedentes en la utilización de la zeolita natural como ayudante en el proceso de coagulación, se realizaron experiencias con el fin de disminuir las dosis empleadas de los productos antes mencionados.

Tomando como base las dosis óptimas obtenidas en la Alternativa 1 se utilizaron dosis en el rango de concentraciones de 1, 10 y 10 mg/L hasta 4, 40 y 40 mg/L de los productos Lipesa 720, sulfato de aluminio y zeolita en ese orden, resultando que en ningún caso la adición de la zeolita permite obtener dosis óptimas por debajo de las ya obtenida con los productos Lipesa 720 – sulfato de aluminio, por lo que se demostró que no era efectiva esta combinación.

Tabla 4. Determinación de las mejores dosis a escala de laboratorio en la combinación de coagulantes Lipesa 720, sulfato de aluminio y floculante zeolita. (Alternativa No. 2) Absorbancia (A) Agua de entrada

0.39

No. Vaso

Dosis de Al2(SO4)316H2O (ppm)

1 2 3 4

10 20 30 40

Dosis de Lipesa 720 (ppm) 1 2 3 4

Turbiedad

Turbiedad

(u/n formazina)

(N.T.U.)

650

45.5

Dosis de Zeolita (ppm)

I.W

Absorbancia (A)

Turbiedad (u/n formazina)

Turbiedad (NTU)

10 20 30 40

4 6 6 8

0.28 0.25 0.21 0.04

465 415 350 70

32.55 29.05 24.5 4.9

CORRIDAS EXPERIMENTALES A ESCALA DE PLANTA A partir de los resultados obtenidos en las corridas experimentales a escala de laboratorio se determinó llevar a escala de planta para probar su efectividad la alternativa No. 1. Se utilizaron tres parámetros fundamentales para la determinación de la calidad del proceso de coagulaciónfloculación en el clarificador, ellos fueron: •

Turbiedad: Se consideró que los valores de turbiedad que garantizan que el proceso sea efectivo deben de estar por debajo de 10 N.T.U.

•

Sólidos suspendidos: Se tomó como valores efectivos los valores menores a 30 mg/L que es la norma establecida en dicho proceso.

•

PH: Valores adecuados en el rango de 6.5 – 8.5 según requerimientos del proceso.

Las pruebas realizadas para determinar los valores de turbiedad se basaron en el método de la formazina y se reflejaron los valores finales en N.T.U. Los sólidos suspendidos se determinaron por el método de separación-filtración. Obteniéndose los valores expresados en mg/L por diferencia de pesada. Para la determinación de pH se utilizó un pHmetro modelo MPF-4C. Todas las pruebas se realizaron a la entrada y salida del clarificador tomando las muestras intermedias en la toma inferior situada a 1 m por encima del colchón de lodos.

Inicialmente se procedió a medir los parámetros de entrada del agua para dosificar los reactivos de acuerdo a los mismos. Durante las cinco corridas realizadas el agua de entrada se encontraba en el rango mayor a 46 N.T.U. de turbiedad por lo que se utilizó una dosis de 5 mg/L de Lipesa 720 y 50 mg/L de sulfato de aluminio (valores correspondientes a los resultados obtenidos a escala de laboratorio).

Tablas de resultados de las corridas experimentales a escala de planta.

Tabla No. 5. Comportamiento de los sólidos suspendidos, turbiedad y pH en el clarificador para aguas de entrada en rango mayor de 46 N.T.U. añadiendo dosis de 5 ppm de Lipesa 720 y 50 ppm de sulfato de aluminio. Corridas

1

2

3

4

5

Tiempo de sedimentación (h) 0 2 4 8 0 2 4 8 0 2 4 8 0 2 4 8 0 2 4 8

Sólidos suspendidos (mg/L) 950 18.5 11.5 10 1320 47.5 27 21.5 970 10.5 10.0 8.0 942 14.0 10.5 10.0 560 13.5 11.5 8.0

Turbiedad (N.T.U.)

pH

65.31 12.95 10.5 7.7 87.5 18.9 12.95 7 49.0 12.95 7 4.55 81.6 12.25 10.5 7.7 65.45 11.55 11.08 10.15

8.2 8.1 8.1 8 8.3 8 8 7.9 8.1 7.9 7.9 7.8 8.2 8.0 7.9 7.9 8.2 8.1 7.9 7.9

Los datos reflejados en la tabla No. 5, muestran que transcurridas las dos horas de clarificación los parámetros turbiedad y sólidos suspendidos habían descendido significativamente a partir de los valores iniciales, mostrando la efectividad de la dosis añadida. Posteriormente las muestras tomadas tanto a las cuatro horas como a las ocho horas mostraban para todas las corridas realizadas valores muy buenos, correspondientes a los valores prefijados, donde la turbiedad permanecía por debajo de los 10 N.T.U. y los sólidos suspendidos menores a 30 mg/L, además el comportamiento del pH cumple los requerimientos del proceso.

CONCLUSIONES.

1.

La adición de sulfato de aluminio en combinación con el coagulante Lipesa 720 disminuye la dosis empleada de este último y sustituye completamente el empleo del floculante Lipesa 725.

2.

En aguas de entrada con turbiedades menores a los 30 N.Y.U. la dosis efectiva a emplear es 3 mg/L y 30 mg/L de Lipesa 720 y sulfato de aluminio respectivamente.

3.

En condiciones de turbiedad en el intervalo de 30 – 46 N.T.U. la dosis efectiva de Lipesa 720 y sulfato de aluminio es de 4 mg/L y 40 mg/L en ese orden.

4.

Para aguas críticas con turbiedades por encima de 46 N.T.U. deben emplearse dosis de 5 mg/L y 50 mg/L de los productos Lipesa 720 y sulfato de aluminio.

5.

Se comprobó que para calidades de agua de entrada por encima a los 46 N.T.U. la dosis efectiva a emplear es de 5 mg/L de Lipesa 720 y 50 mg/L de sulfato de aluminio.

6.

Se puede concluir de las corridas experimentales a escala de laboratorio y a escala de planta que para valores iguales o menores de 10 N.T.U. los sólidos suspendidos no exceden de 30 mg/L.

7.

La presencia de aceites y grasas en cantidades apreciables influyeron en la calidad del proceso de clarificación que se llevó a cabo tanto a nivel de laboratorio como a nivel de planta.

RECOMENDACIONES.

1.

Introducir a escala de planta la variante Lipesa 720 – sulfato de aluminio en el proceso de clarificación a partir de los resultados obtenidos en el presente trabajo.

2.

Probar a escala de laboratorio y planta la dosis que resultaría efectiva emplear utilizando solamente el producto sulfato de aluminio para condiciones de elevada turbiedad.

3.

Realizar la dosificación de reactivos de acuerdo a los parámetros del agua a tratar.

4.

Instalar sistemas de eliminación de aceites y grasas en los predecantadores.

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8.

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