IMPACTO DE LA AGITACIÓN RÁPIDA Y EL REPOSO EN EL COAGULANTE Llanes Ocaña J. G., Guerrero Ontiveros C. y Velázquez Gurrola A. Escuelas de Ciencias Físico-Matemáticas y de Biología Universidad Autónoma de Sinaloa. Ciudad Universitaria Culiacán, Sinaloa. Tel. y Fax 01 (67) 161154 E-mail: [email protected]

RESUMEN Aquí se estudia el impacto de la agitación rápida y del tiempo de reposo en la eficiencia de remoción de coagulantes. Se hace un análisis comparativo Sulfato de Aluminio vs. PAX XL- 60S . Ambos coagulantes se someten a un diseño experimental denominado Diseño Compuesto Central. Los experimentos se llevan a cabo en tres aguas de distintos parámetros de turbiedad, color y SST. Se presenta el grado de impacto en las variables respuesta utilizadas, las zonas óptimas de remoción y algunos modelos matemáticos que se obtienen con esta metodología. INTRODUCCIÓN Actualmente en el proceso de tratamiento de agua existe una polémica en torno a la determinación del mejor coagulante, se reconoce que la conclusión al respecto no puede ser dada por examen de un solo factor, como por ejemplo el precio del reactivo en el mercado. Podemos decir que este estudio contribuye en parte a la discusión que se da en este campo, sobre la determinación del mejor coagulante. Aquí, este problema se enfoca desde el punto de vista del consumo de energía para lograr una mejor remoción o mayor eficiencia de la acción del coagulante. Lo que hacemos es aplicar un mismo diseño experimental, analizando el comportamiento de dos coagulantes con mecanismos de coagulación distintos en diferentes aguas crudas. Una de las aguas estudiadas posee parámetros de turbidez, color y SST relativamente altos y las otras marcadamente más bajos. En todas las aguas crudas se analiza el comportamiento de los coagulantes Sulfato de Aluminio versus Policloruro de Aluminio (PAX-XL60S), sometidos a diferentes agitaciones rápidas y tiempos de reposo. Se examinan 13 puntos (parejas) que corresponden a diferentes combinaciones de velocidad de agitación rápida y tiempos de reposo. Combinaciones que son producto de la aplicación de un procedimiento estadístico denominado Diseño Compuesto Central (DCC)(1).

METODOLOGÍA Todos estos experimentos se llevan a cabo manteniendo la dosis fija del coagulante en turno, en combinación con una pequeña cantidad de 1.5 ppm de ayudante de coagulante (polydadmac). Se contrasta el grado de remoción o impacto que causan los cambios del diseño experimental en la eficiencia de remoción de cada coagulante. Se pone atención -1-

especial, a los rangos en los que se dan los cambios de las variables medidas bajo el mismo diseño para los dos coagulantes. El diseño DCC consiste de una serie de 13 puntos de diferentes combinaciones de los factores velocidad de agitación rápida y tiempos de reposo. Se utilizan como variables respuesta: Turbiedad, color y SST. En cada experimento se usa un volumen de 40 litros de agua cruda que se extrae a la entrada de la planta La Limita, proveniente del Río Tamazula en Culiacán Sinaloa, la cual es utilizada como muestra madre en los experimentos, para ambos coagulantes. Se homogeniza y se le miden los parámetros fisicoquímicos: turbiedad, color, SST y pH. Experimento I Este experimento es llevado a cabo en agua cruda con parámetros relativamente altos: 301 NTU de turbiedad, 280 mg/l de SST , 2148 PtCo de color y 7.7 de pH. Se mantienen constantes las dosis de coagulante en turno y de polydadmac, se realizan las pruebas de jarras en una serie de 13 combinaciones de agitaciones rápidas y tiempos de reposo, definidas previamente por el Diseño Experimental (DCC). La agitación rápida se varía en un rango aproximado de 50 a 400 rpm durante 60 segundos, manteniendo constante la velocidad de floculación en 50 rpm durante 10 minutos. Por otro lado, el tiempo de reposo varia de 3 a 11 minutos (véase tablas). Procedimiento: a) I Primero: utilizamos el coagulante Pax XL-60 S (muestra proporcionada por KEMWATER), y en una dosis de 20 ppm de Pax XL-60 y 1.5 ppm de polydadmac

(aquafloc 4400). b) I Segundo: utilizamos el coagulante Sulfato de Aluminio (SAl). El experimento con este reactivo, se ejecuta con la misma muestra madre de agua utilizada con el Pax XL 60 S. Se repite la metodología. Para esto, de nuevo, se hace variar la agitación rápida en un rango de 50 a 400 rpm durante 60 segundos, manteniendo constante la segunda velocidad en 50 rpm durante 10 min. Por otro lado, se varia el tiempo de reposo de 3 a 11 minutos. La dosis de trabajo para este coagulante es de: 30 ppm de Sulfato de Aluminio y 1.5 ppm de Polydadmac. Experimento II (parámetros bajos). Se repite completamente la metodología del Experimento I, aplicándose los mismos reactivos solo que ahora en otras aguas crudas, caracterizada por tener parámetros fisicoquímicos de valores bastante más bajos. Agua cruda: 100 NTU de turbiedad, 84 mg/l de SST , 752 PtCo de color y 7.4 de pH a) II Primero: Coagulante Pax XL-60 Dosis: 20 ppm de Pax XL- 60 y 1.5 ppm de polydadmac. b) II Segundo: Coagulante, Sulfato de Aluminio . Dosis: 30 ppm de Sulfato de Al y 1.5 ppm de Polydadmac

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RESULTADOS Definiciones: T=Turbiedad(NTU); C= Color (PtCo); G = Agitación rápida (rpm); tR= tiempo de reposo. La Tabla I muestra las trece combinaciones de agitación y tiempo de reposo del experimento I y las correspondientes variables de respuesta obtenidas para los coagulantes estudiados. COMBINACIONES GENERADAS POR EL DISEÑO I (DCC). Variables de respuesta

G

tR

P a x XL 60 T SST C

Sulfato de Aluminio T SST C

rpm

min NTU mg/l PtCo

NTU

mg/l

PtCo

225 100 350 225 225 225 225 350 100 48 225 401 225.0

7.0 4.0 4.0 2.7 7.0 7.0 7.0 10.0 10.0 7.0 11.2 7.0 7.0

15 25 24 57 10 8.5 11.5 10 17.5 43.5 13 12 11.5

13 14 14 47 7 0 9 1 12 33 5 22 7

124 210 186 345 95 99 104 104 161 355 114 153 104

10 15 17 15 8 15 12 9 12 11 8 15 12

4 12 9 14 4 4 5 6 8 9 1 10 18

98 139 129 139 82 104 8 66 111 95 88 111 112

Tabla I - Resultados del Experimento I, para ambos coagulantes.

Se observa que para marcadas variaciones de agitación rápida (de 48 a 401 rpm) y de tiempos de reposo, se manifiestan ligeros cambios en sus variables respuesta. Asi, tenemos los rangos de variacion en Turbiedad: valor máximo 17.5, valor mínimo 8; Color: valor máximo 139, valor mínimo 66.

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Los resultados de la tabla I, se representan gráficamente en las curvas siguientes. Gráfica I Pax (T) Gráfica I Pax (C)

Las gráficasI Pax (T) y I Pax (C)

Estas figuras representan la conducta de la turbiedad y el color respectivamente como variables respuesta a la variación de la agitación rápida y tiempo de reposo para el Pax XL 60. Las curvas representan turbiedades constantes (isoturbias).Nótese que para determinados tiempos de reposo los cambios de de velocidad no no son importantes, las isoturbias prácticamente son horizontales. -4-

Gráfica I SAl (T)

Gráfica I SAl (C)

Las GráficasI SAl (T) y I SAl (C) representan diferentes lineas de turbiedad y color respectivamente, para la dosis estudiada de Sulfato, en distintas condiciones de velocidad y tiempos de reposo. Cada curva representa un valor constante de turbiedad (isoturbias). Nótese que las isoturbias muestran una forma muy distinta a las del coagulante Pax. Curvas similares se observan para la variable respuesta, color.

Resultados II COMBINACIONES GENERADAS POR EL DISEÑO II (DCC).

Variables P a x X L 60 G

rpm 225 100 350 225 225 225 225 350 100 48 225 401 225

tR min 7.0 4.0 4.0 2.7 7.0 7.0 7.0 10.0 10.0 7.0 11.2 7.0 7.0

T NTU 7 7.5 16.5 19 8 8 8.5 7.5 5.5 8 6 10 8.5

SST mg/lt 3 1 7 4 2 4 3 4 2 6 4 8 2

de respuesta S u l f a t o de A l u m i n i o

C PtCo

T NTU

SST mg/lt

C PtCo

69 76 136 93 61 77 82 77 65 74 54 90 76

7 10.5 10 14 7.5 8 6.5 9 8 17.5 6.5 9 7

3 4 5 7 2 4 1 2 3 8 2 4 3

62 77 114 125 64 93 68 66 81 133 57 67 84

Tabla II SAl. De aquí podemos observar los efectos de los cambios de velocidades y de tiempos de reposo sobre el coagulante Sulfato de Aluminio. Es notorio los importantes impactos en sus variables de respuesta: Turbiedad, SST y Color. Así podemos ver los rangos de variación de:

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Turbiedad : valor máximo 57, valor mínimo 8.5 NTU; Color: valor máximo 355 PtCo, valor mínimo 95 PtCo. Nótese las diferencias marcadas presentadas para el Sulfato de Aluminio comparadas con el coagulante Pax XL60.

Tabla II Pax: Esta muestra cambios leves en las variables respuesta, similares al primer caso. Sin embargo, las variaciones son prácticamente del mismo orden de magnitud para esta agua con parámetros mucho más bajos. Turbiedad: valor máximo. 19, valor mínimo: 6 NTU; Color: valor máximo: 136, valor mínimo: 61 PtCo.

Resultados II SAl:

Tabla II SAl: Aquí los impactos en las variables respuesta no son tan marcados como en el primer caso, y las diferencias entre coagulantes tienden a desaparecer para aguas de parámetros bajos. Gráfica II SAl (C)

Gráfica II SAl (T)

Grafica II SAl (T) y II SAl (C). Estas gráficas muestran un comportamiento lineal al igual que el Experimento I. Sin embargo, en el experimento II estas lineas contienen pendientes negativas, por lo tanto sus tendencias son distintas. En cambio, si comparamos las curvas del experimento II para ambos coagulantes, se observa que sus tendencias son similares para aguas de parámetros bajos.Además, las isoturbias son practicamente de la misma forma.

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Gráfica II Pax (T)

Gráfica II Pax (C)

Las Gráficas II Pax (T) y II Pax (C). Las curvas que aparecen aquí muestran un comportamiento lineal mas claro al del Experimento I. Sin embargo, manifiestan tendencias similares. Asimismo, se observa que estas líneas poseen pendientes positivas.

MODELOS MATEMÁTICOS: Experimento I: GráficaI Pax (T): GráficaI Pax (C):

T = 11.42 + 0.03G – 0.0004 tR – 0.004GtR C = 159.1 – 0.03G – 6.8 tR

GráficaI SAl (T): T = 56.24 – 0.05G – 3.48 tR GráficaI SAl (C): C = 699.88 – 1.8G – 81.04 tR + 0.003G2 + 4.78 tR2 – 0.022G tR

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CONCLUSIONES El Experimento I, se realiza con agua cruda de parámetros relativamente altos . De las tablas y gráficas (I) , podemos concluir que los coagulantes estudiados muestran un comportamiento marcadamente distinto a los cambios de velocidad y de tiempos de reposo. Los valores obtenidos de las variables respuesta indican que cada coagulante respondió en grado diferente. Sus rangos de variación y sus valores así lo indican. Para los mismos cambios de velocidad y de tiempos de reposo, se registran variaciones de los parámetros medidos muy diferentes, según sea el coagulante en turno. Para el Pax se tienen ligeras variaciones: ≈ 9.5 de turbiedad, ≈ 73 de color y ≈ 17 de SST. En cambio, para el Sulfato las variaciones son bastante más altas: ≈ 49.5 de turbiedad, ≈ 260 de color y ≈47 de SST. Así para el agua cruda del Experimento I, el grado de impacto de estos cambios descritos son de un rango importante sobre el Sulfato y ligeros en el Pax XL-60. Esto es interesante desde el punto de vista de la operación y diseño de una planta. Implican diferentes gastos de energía. El Sulfato tiene mayor necesidad de un gradiente rápido y esto puede significar más gastos en equipo y en operación de la planta. Experimento II: Aquí los cambios descritos del primer experimento no son tan marcados , se manifiestan de manera más suave para el agua cruda de parámetros menores ( tablas y graficas II ). Esto en parte, lo podemos interpretar debido a una menor densidad de partículas en el seno del líquido y esto da lugar a una menor interacción entre las partículas suspendidas al ser un número menor y estar más separadas una de la otra, las fuerzas de interacción son mas débiles. La posible explicación, a los resultados distintos, según el coagulante, se debe buscar a nivel molecular y en los mecanismos de coagulación involucrados para cada tipo de coagulante. Se sabe que los coagulantes no prepolimerizados, como es el caso del Sulfato de Aluminio y del Sulfato Férrico, siguen el denominado mecanismo de Arrastre o Barrido. En cambio, los coagulantes prepolimerizados, como es el caso de los PAX, siguen el de Adsorción y Neutralización de cargas. Estos resultados también ayudan a visualizar las regiones (en las graficas) de agitación rápida y tiempos de reposo donde la actividad de remoción, de cada coagulante, es más eficiente. Finalmente, podemos afirmar, desde el punto de vista de necesidades de energía mecánica o eléctrica que el Pax XL-60 resulta mejor opción económica al Sulfato de Aluminio.

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REFERENCIAS Rossini M., Garcia J. and Galluzo M. (1999). Optimization of coagulation - flocculation Treatment: influent of rapid mix parameters. Wat. Res., 33 (8), 1817-1826. O´Melia C. R. (1996). A review of the coagulation process, Public Works, 100, 87-89 Montgomery D. (1991). Diseño y Análisis de Experimentos. Edit. Iberoamerica. México. Moutka B. (2000) Selection of the optimal coagulant in industrial water treatment processes. 3er. Seminario en Tratamiento Químico del Agua, 25 de mayo, México D.F. Jiménez y Chávez A. (1996) Evaluación de las Condiciones de Mezclado, punto de adición del coagulante y floculante en la eficiencia de un TPA. XXV Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Nov. 1996. Hurtado C. (1996). Elección de un coagulante y un floculante para el tratamiento del agua del Valle de México por un TPA. Facultad de Química, UNAM, México.

Culiacán, Sin., diciembre de 2001

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