DETERMINACIÓN DEL EFECTO DEL TIEMPO Y LA DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULAS DE UN AGUA TRATADA CON DIVERSOS COAGULANTES

Chávez A.,* Jiménez B.,* y Gillberg L.** *Instituto de Ingeniería. Grupo: Tratamiento y Reúso. UNAM. Ciudad Universitaria, Apdo. Postal 70-472. Coyoacán, 04510, México, D. F. acm @ pumas.iingen.unam.mx ** Kemira Kemi AB, P.O. Box 902, SE-251 09 Helsingborg, Sweden, [email protected]

RESUMEN Se evaluó la eficiencia de 8 coagulantes para tratar dos calidades de agua residual (AR), con base en la reducción del contenido de partículas con tamaños entre 0.7 y 7.5 µm y el P-PO4 . El trabajo se realizó en la ciudad de Oulu (Finlandia). El proceso fisicoquímico fue simulado en una prueba de jarras donde se aplicaron dosis de 150, 300 y 450 µmolAl/L. La conservación de la muestra y el manejo de la misma fueron aspectos importantes que deben considerarse en un estudio de distribución de tamaño de partículas (DTP) y P-PO4 ; y que se deben medir inmediatamente después de haber finalizado la prueba de tratamiento, o bien se debe aplicar formaldehído cuyo efecto de preservación puede durar hasta 24 h. En el afluente, el contenido de partículas varío entre 78 y 209 mL de partículas/m3 . Ante un cambio en la calidad, las partículas más afectadas fueron las comprendidas entre 1 y 2 µm, donde el volumen se incrementó hasta 2 o 3 veces más. En el afluente diluido, la dosis de 150 µmolAl/L bastó para remover las partículas entre 0.7 y 2 µm en un 80 a 93% y el orden de selectividad fue PAX XL19 > PAX XL60 > PAX XL1 > PAX XL9 > Al2 (SO4 )3 ; con un aumento en la dosis, se mejoró la remoción hasta 98% en todos los intervalos de tamaño y se presentó el mismo orden de selectividad. En agua de mediana concentración de partículas, se requirió incrementar la dosis hasta 300 µmolAl/L para lograr las mismas remociones que en la etapa anterior y la selectividad fue PAX XL19 > PAX XL 13 > PAX 18 > ALG > FeCl3 .

INTRODUCCIÓN La distribución y el tamaño de partículas (DTP) medida en el agua es una herramienta útil que permite de manera clara definir la caracterización de ésta y su posible tratamiento. De hecho, el tamaño de partícula influye en los procesos de separación, como la sedimentación, coagulación, floculación y filtración (Alon y Adin, 1994; Kavanaugh et al., 1980). Los datos respecto a la asociación de los contaminantes con sólidos suspendidos de un tamaño particular en el AR son muy limitados (Levine et al., 1985; Yeoman et al., 1992), ya que los contaminantes son mezclas complejas de partículas orgánicas e inorgánicas con un tamaño > 0.001 y < 100 µm (Levine et al., 1985 y 1992). La medición del tamaño de partícula proporciona información importante sobre la naturaleza de las mismas y la capacidad de remoción de los procesos de tratamiento, pero pocas veces se utiliza. En la actualidad, los objetivos del tratamiento de un afluente en particular durante la realización del diseño e interpretación del funcionamiento son típicamente definidos en términos de parámetros no específicos, como la DBOt, DQOt, turbiedad, SST y microorganismos, los cuales proveen información cuantitativa

acerca del material orgánico presente (Bolley, 1998; O´Melia et al., 1997; Marquet, 1999; Adin, 1998 y 1999; Thomas, 1999). En el caso del tratamiento fisicoquímico, la eficiencia de remoción en cada una de las etapas que lo componen, ha sido regularmente evaluada a través de parámetros como la turbiedad, DQOt y sólidos suspendidos totales (SST); sin embargo, la medición de la distribución del tamaño de partícula (DTP) permite conocer de manera rápida y directa el efecto de cada uno de los factores que determina la eficiencia, y facilita la evaluación de la calidad del efluente que se descarga al medio ambiente. Por otro lado, con el fin de promover el empleo de un proceso fisicoquímico para remover los contaminantes presentes en el afluente, se han usado con éxito diversos coagulantes [Al2 (SO4 )3 ], FeCl3 , CaOH y más recientemente los policloruros de aluminio (PAX´s)]; no obstante, la investigación sobre el efecto de éstos en la remoción de partículas pequeñas (de 0.01 a 10 µm) es nula o poco conocida. Por ello, aquí se evaluó la eficiencia de varios coagulantes [Al2 (SO4 )3 , diversos PAX´s y FeCl3 ] en términos de reducción del contenido de partículas con tamaños entre 0.6 y 7.5 µm (coloidales y supracoloidales) en un agua residual doméstica.

MATERIALES Y MÉTODO Muestreo del agua residual. El afluente provino de la salida del sistema de drenaje de la ciudad de Oulu, Finlandia. Se tomó una muestra puntual de aproximadamente 20 L para cada uno de los experimentos durante julio y agosto y en horarios entre 8:15 y 8:30 a.m. Cada muestra se transportó de inmediato hacia las instalaciones de Kemira Chemical Oy (5 km) para realizar las pruebas de tratamiento. Coagulantes. Se utilizaron diversos coagulantes, los cuales se caracterizan por tener diferente grado de basicidad: Al2 (SO4 )3 ], PAX XL 19 (84% de basicidad), PAX XL 1 (70% de basicidad), PAX XL 60 (40% de basicidad), PAX XL 9 (70% de basicidad), PAX XL 13 (68% de basicidad), PAX 18 (40% de basicidad) y FeCl3 . Método de coagulación. Para simular el proceso fisicoquímico, se empleó 1 L de afluente y como equipo un floculador automatizado marca Kemira. Los gradientes utilizados en cada etapa se muestran en la Tabla 1, y las dosis aplicadas en cada caso fueron de 150, 300 y 450 µmolAl/L. Después de finalizar la etapa de floculación, se tomaron 100 mL de sobrenadante de cada tratamiento y se determinó la calidad fisicoquímica correspondiente. Parámetros de evaluación. Los parámetros definidos tanto en el agua residual como en el agua tratada, así como los métodos y técnicas utilizadas en cada caso, se presentan en la Tabla 2.

Tabla 1. Condiciones de trabajo empleadas en la prueba de jarras Etapas Coagulación Floculación Sedimentación

Tiempo de mezcla 30 s 10 min 15 min

Revoluciones por minuto 350 40 0

Tabla 2. Parámetros evaluados en el agua residual y tratada Parámetros Turbiedad PT P-PO4

pH SST

Método y técnica Se midió con un turbidímetro Hach 2100 ANIS en cada muestra y sin previa filtración Se empleó un método colorimétrico usando la técnica del Dr. Lance (LCK 348 y 349); la absorbancia se midió con un espectrofotómetro CADAS 30. Se utilizó el mismo método descrito para el PT, sólo que en este caso todas las muestras fueron filtradas mediante una membrana de 0.45 µm antes del análisis. Se empleó un equipo medidor 761 Calimatic. El contenido de SST se determino sólo en un muestreo, siguiendo la metodología establecida por los Standard Methods, 1995.

Para determinar el tamaño de partícula y su distribución (DTP), se utilizó un Coulter Counter  MultisizerTM II equipado con un tubo de 30 µm. Las partículas con diámetros de 0.7 a 7.5 µm se analizaron en 11 intervalos con límites de 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 2.4, 3, 3.7, 4.7, 5.8 y 7.5 µm. Para todos los casos, se diluyó 1 mL de muestra en 200 mL de solución electrolítica. La solución electrolítica empleada fue ISOTON II (basada en 0.9% de sales), la cual se filtró previamente a través de una membrana de 0.22 µm. Para examinar el tamaño de partículas, se hizo pasar 500 µL de la muestra en el contador repitiendo la medición 4 veces en cada caso. En orden y de acuerdo anteriores resultados, inmediatamente después de finalizar el proceso de sedimentación se adicionó a cada una de las muestras una pequeña dosis de formaldehído (0.33 mL/100 mL muestra) para prevenir el posible recrecimiento de macroorganismos. Además, todos los parámetros se determinaron entre 1 y 8 h después del tratamiento.

Estudios del efecto del tiempo Se evaluó el efecto del tiempo (0, 1, 3, 6 y 24 h) respecto al cambio en el contenido y tamaño de partícula y P-PO4 en el afluente y el efluente tratado con 200 µmolAl/L de Al2 (SO4 )3 , en presencia o ausencia de formaldehído como un preservativo (o conservante) de las muestras. Para la determinación de P-PO4, se tuvieron dos diferentes escenarios. En el primero, se tomó una muestra puntual de 5 mL, tanto del afluente, como del efluente a las 0, 1, 3, 6 y 24 h y se filtró mediante un micro poro de 0.45 µm antes de su análisis. En el segundo escenario, después de finalizar el proceso de tratamiento, se filtró mediante un micro poro de 0.45 µm un total de 100 mL sólo una vez y de esta se tomaba una submuestra para determinar el contenido de P-PO4 en cada uno de los tiempos mencionados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Estudios del efecto del tiempo El efecto del tiempo en cuanto al contenido de P-PO4 tanto en el afluente como en el efluente se presenta en la Figura 1. De ésta se deduce que es mejor filtrar las muestras sólo una vez e inmediatamente después de finalizar el tratamiento del agua y de ahí tomar una submuestra en cada tiempo (tipo de filtrado 2). Además, se encontró que hay un efecto respecto al contenido de P-PO4 en presencia o ausencia de formaldehído, efecto que se observó en mayor grado en las muestras del afluente. En muestras sin formaldehído, el contenido de P-PO4 en el afluente fue de 0.96 mg/L en la hora cero y se redujo hasta 0.92 mg/L después de un tiempo de 26 h. En presencia de formaldehído, la concentración de P-PO4 fue mayor (1.05 mg/L, en hora cero) y no mostró un cambio a lo largo del tiempo (1.05 mg/L en la hora 26). En lo que se refiere al efluente, el efecto no se pudo medir dado que en ambos casos (muestras con formaldehído y sin formaldehído) el contenido de P-PO4 a la hora cero fue menor al límite de detección de la técnica ( PAX XL60 (40% basicidad) > PAX XL 1 (70% de basicidad) > PAX XL 9 (70% de basicidad) > Al2 (SO4 )3 (Figura 6). Con dosis de 450 µmolAl/L la resuspensión de partículas fue observada en la mayoría de los casos.

partículas entre µm

100 95 90 85

Al2(SO4)3

Figura 6. Efecto de la dosis y tipo de coagulante durante el tratamiento de agua residual con bajo contenido de partículas En el caso del agua residual con mediana concentración de contaminantes, que en términos generales fue la más representativa, al aplicar la misma dosis (150 µmolAl/L) sólo se alcanzó una remoción de partículas entre el 58 y el 70%, eficiencia que dependió del tipo de coagulante; para este caso la selectividad fue PAX XL 19 (84% de basicidad) > PAX 13 (68% de basicidad) > PAX 18 (40% de basicidad) > Al2 (SO4 )3 y > FeCl3 (Figura 7). Con un incremento de la dosis hasta de 300 µmolAl/L, se produjo una mejora en la reducción de partículas, siguiendo la misma tendencia de selectividad de los coagulantes. En cuanto al cloruro férrico, se observó una remoción del 73% sólo cuando se utilizaron altas concentraciones de este coagulante (450 µmolFe/L), 100 90

% remoción de partículas entre 0.7 y 2 µm

80 70 60

PAX 18 PAX XL 19 PAX XL 13 Al2(SO4)3 FeCl3

50 40 30 20 150

300

450 µ molAl/L

Figura 7. Efecto de la dosis y tipo de coagulante durante el tratamiento de agua residual con alto contenido de partículas

Para el intervalo de tamaño de partículas comprendido entre 2 y 7.5 µm y con afluente de bajo contenido de partículas, cualquier coagulante aplicado logró remover más del 95% de éstas, mientras que cuando el afluente presentó una mayor concentración, la selectividad de remoción de partículas fue: PAX XL19 >PAX 18 > PAX XL13 > PAX XL60 y una dosis de coagulante de 300 µmolAl/L fue suficiente para alcanzar una estabilidad en el sistema en todos los casos, con excepción efluente tratado con FeCl3 . Cada tipo y dosis de coagulante empleado mostró cierta selectividad para remover P-PO4 ; en este caso y dado que el agua es descargada hacia el mar, se necesitó utilizar el coagulante (PAX 18, 40% de basicidad) y FeCl3 , los cuales precipitaron una mayor concentración de este elemento. Cuando el agua residual tuvo una concentración mínima de P-PO4 , sólo se requirió una dosis de 150 µmolAl/L de cualquiera de los coagulantes probados; de hecho, la concentración de P-PO4 que se determinó en el efluente fue inferior a los límites de detección de la técnica (0.05 mg/L); sin embargo, para un agua residual con concentraciones de P-PO4 mayores de 0.5 mg/L, la eficiencia de los coagulantes fue: PAX 18 y FeCl3 (89%), Al2 (SO4 )3 (86%), PAX XL 13 (71%) y finalmente PAX XL 19 (47%) (Figura 8).

% remoción del P-PO4

100 80 Al2(SO4)3 PAX XL-19 PAX XL 13 PAX -18 FeCl3

60 40 20 0 150

300

450

µmolAl/L Figura 8. Influencia del tipo y dosis de coagulante aplicado en aguas con alto contenido de P-PO4 Para la remoción de la turbiedad, los coagulantes que presentaron una mayor eficiencia fueron PAX XL 60 (agua diluidas), PAX XL 19, PAX 18 y PAX XL 13. Con una dosis de 150 µmolAl/L se lograron remociones de más del 80%. Un incremento en la dosis hasta 300 µmolAl/L hizo posible alcanzar el 95% de dicho parámetro, siguiendo el mismo orden de selectividad (Figura 9).

% remoción de la turbiedad

100 80 60

Al2(SO4)3 PAX XL 19 PAX XL 13 PAX -18 FeCl3

40 20 0 150

300

450

µmolAl/L Figura 9. Influencia del tipo y dosis de coagulante aplicado en aguas con alto contenido de turbiedad

CONCLUSIONES Con base en lo antes expuesto, se llega a las siguientes conclusiones: La conservación de la muestra y el manejo de la misma son aspectos importantes que deben considerarse en un estudio de distribución de tamaño de partículas, así como en la determinación del contenido de P-PO4 ; por tal razón, estos parámetros se deben medir de preferencia inmediatamente después de haber finalizado la prueba de tratabilidad, o bien hay que aplicar formaldehído a la muestra para evitar el recrecimiento de microorganismos y reducir los errores de conteo de partículas y contenido de P-PO4 . El efecto del formaldehído puede durar hasta 24 h. Durante el estudio, el agua residual varió en cuanto a su contenido de partículas, lo que repercutió en su tratamiento; los cambios fueron fácilmente detectados con la técnica y se observó que ante un incremento en número y volumen, las partículas más afectadas fueron las comprendidas entre tamaños entre 1 y 2 µm las cuales aumentan en volumen hasta 2 ó 3 veces. Con el proceso fisicoquímico fue factible remover partículas coloidales y supracoloidales, pero esto dependió en gran medida de la dosis y el tipo de coagulante aplicado y de la variación de calidad en el afluente. En aguas muy diluidas la dosis de 150 µmolAl/L fue suficiente para remover el 93% de las partículas con tamaño entre 0.7 y 2 µm empleando PAX XL 19 (coagulante de alta basicidad), mientras que las partículas entre 2 y 7.5 µm se removieron más del 95%; un incremento en la dosis sólo favorece la remoción de partículas menores a 2 µm, para tal caso una dosis de 300 µmolAl/L no se justifica.

En un agua de mediana concentración de partículas, la dosis de coagulante se aumentó al doble (300 µmolAl/L) para alcanzar remoción similar a la del caso anterior (92% para partículas entre 0.7-7.5 µm); aquí, un coagulante de mediana basicidad (40%) fue el mejor (PAX XL 19) y removió además el 80% de P-PO4 . Una dosis de 150 µmolAl/L logró remover la turbiedad entre el 80 y el 90% y se alcanzó el 95% al incrementar la dosis a 300 µmolAl/L; en este caso, el PAX XL 60, PAX XL 19, PAX XL 13 y PAX 18 fueron los mejores, seguidos por el sulfato de aluminio. El cloruro férrico fue el coagulante que removió un menor número de partículas y turbiedad.

AGRADECIMIENTOS Se agradece a Kemira por el soporte económico y técnico para la realización de este estudio, así como a todas las personas que directa e indirectamente hicieron posible la consecución y buen término del mismo (Eija Laine, Jukka Jokela, Simo Jokinen, Irma Kemppainen, Anne Hellsten, Kaisu Jukuri, Karry Seppänen y Mari Zubihian); además al personal de la Universidad de Oulu por permitir utilizar el Counter y por la asistencia recibida durante el arranque del equipo (Olli Dahl, Jarno Karvonen y Elisa Frondelyus). REFERENCIAS Adin A. (1998) The Role of Physical-Chemical Treatment in Wastewater Reclamation and Reuse, Wat. Sc. and Tech., 37(10), 79-90. Adin A. (1999) Particle Characteristics: A Key Factor in Effluent Treatment and Reuse, Wat. Sci. and Tech. 40 (4-5), 67-74. Alon and Adin (1994) Mathematical Modeling of Particle Size Distribution in Secondary Effluent Filtration, Water Environ. Res. 66, 836-841. Boller M. (1998) Particles Under Stress, Wat. Sci. and Tech. 37 (10), 9-29. Kavanaugh M,, Teregas G., Moon Ch and Pearson E (1978) Particulates and Trace Pollution Removal by Depth Filtration. Prog. Wat, Tech. 10 (5-6), 197.215. Levine, A. D., Tchobanoglous, G. and Asano, T. (1985) Characterization of the size distribution of contaminants in wastewater: Treatment and reuse implications. J. Wat. Pollut. Contr. Fed. 5, 805-816. Levine A., Tchobanoglous G., and Asano T. (1992). Particulate Contaminants in Wastewater: A Comparation of Measurement Techniques and Reported Particle Size Distribution. Fluid Particles Separation Journal. 4(2), 89-105. Marquet R. (1999) Characterization of Trickling Filter Effluent by Particle Size Distribution and High Performance Size Exclusion Chromatography, Water Research, 33 (6), 1415-1424. O’Melia, C. R., Hahn, M. W. and Cheng-Tyng C. (1997) Some Effects of Particles Size in Separation Processes Involving Colloids. Wat. Sci. and Tech. 36 (4), 119-127. Thomas D. (1999) Flocculation Modeling: A Review, Water Research. 33 (7), 1579-1592. Yeoman S., Sterritt R. and Rudd T. (1992) Particle Size Fractionation and Metal Distribution in Sewage Sludges, John Wiley & Sons, Wat. Air and Soil Pollution, 1-165.