TRATAMIENTO PRIMARIO AVANZADO (TPA) DE AGUAS RESIDUALES – DIAGRAMAS DE COAGULACIÓN – FLOCULACIÓN Y VARIABLES OPERATIVAS

Juan Carlos Escobar R.* Coordinador de Procesos de la PTAR-Cañaveralejo - Empresas Municipales de Cali. Ingeniero Sanitario. MSc. y Ph.D. en Hidráulica e Saneamiento de la Universidad de São Paulo (EESC -USP). Investigador principal convenio COLCIENCIAS - U. Del VALLE- EMCALI Dirección: Calle 73A No. 2E-97 – B/Petecuy - Cali- Colombia Tel. (57) (2) 4326655/4326652/4326653 Fax: (57) (2) 4324099 e -mail: [email protected] /[email protected] Ing. Lineth Barrios Calderón Universidad del Valle Patricia Torres Lozada Profesora Asociada Universidad del Valle. Ing. Andrea Pérez Vidal Universidad del Valle Ing. Carlos Acosta Pedraz a Universidad del Valle Ing. Gilberto Sepúlveda Consultor Ing. Natalia Duque Naranjo Universidad Católica de Manizales Ing. Diana Campuzano Universidad Católica de Manizales

RESUMEN Mediante ensayos a escala de laboratorio, fue evaluada la tratabilidad del agua residual afluente a la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Cañaveralejo (PTAR – C) de EMCALI EICE ESP mediante la utilización de diagramas de coagulación – floculación; adicionalmente, se realizó un estudio para seleccionar las dosis óptimas de coagulante (FeCl3) y ayudante de floculación para los diferentes rangos de calidad de aguas residuales que se presentan en el día y estacionalmente (tiempo seco), buscando a su vez la optimización del proceso. Además se llevaron a cabo ensayos a escala real, adicionando el coagulante diluido en la voluta de una de las bombas de la estación de bombeo de Cañaveralejo, para observar la influencia de la dilución del coagulante y polímero y del gradiente de mezcla. Estas pruebas se realizaron durante tres días comenzando a las 9:00 a.m y abarcando un total de 7 horas por día. Los diagramas de coagulación – floculación obtenidos, con dosis de FeCl3 entre 2 y 165 mg/L, reflejan la ocurrencia de dos mecanismos de coagulación (adsorción – neutralización y barrido), tanto con la utilización de polímero como sin éste. Se consideró la zona de barrido como la más apropiada para el tratamiento químico del agua residual, por encontrarse próxima al rango de pH del agua cruda por lo que no necesitaría la adición de reactivos para modificar éste. Logrando, con 24,5 mg/L de FeCl3 y 0,10 mg/L de polímero, la menor producción de lodo, siendo 68% menor a la obtenida empleando la misma cantidad de FeCl3 únicamente. Esta opción resultó ser la más benéfica en cuanto al consumo de reactivos químicos y permitió eficiencias de remoción del 65 y 66% para DQO y SST respectivamente. Cuando se analizaron las dosis requeridas para un mismo periodo del día y en época de verano, no se pudieron establecer rangos de dosificación con un buen nivel de confianza para remoción de DQO y SST, sin embargo, cuando se estudió la relación SST/DQO pareció lograrse una correlación entre ésta con las dosis requeridas para obtener las remociones esperadas con una buena consistencia en los resultados, esto es, a similares relaciones de SST/DQO aparentemente se requieren dosis similares. En los ensayos a escala real (G>1000 s-1 y dilución del 5%) con dosis promedio de 16 mg/L se obtuvieron remociones entre 37 y 49% de turbiedad, 38 y 48% de DQO y 60 y 71% de SST, alcanzándose un buen desempeño del proceso en la remoción de estos parámetros. Palabras Claves: Tratamiento de Aguas Residuales, Tratamiento Primario Avanzado, Diagramas de Coagulación-Floculación, Cloruro Férrico, Gradiente de Mezcla.

INTRODUCCIÓN El inadecuado manejo y la ausencia de tratamiento de las aguas residuales originan problemas ambientales y de salud pública en la comunidad. La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo (PTAR – C) de la ciudad de Cali es una alternativa para la depuración de los efluentes y minimización del problema de contaminación, dado que remueve en gran medida la carga contaminante que genera una ciudad de 2.100.000 habitantes. La Tecnología de Tratamiento Primario Avanzado – TPA ha sido implementada en países de Europa (Noruega, Suecia, Francia, España), Asia (Corea, Hong Kong), Norteamérica (Canadá y Estados Unidos) y Latinoamérica (México, Brasil y Colombia). En Colombia, dos de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales aplican la tecnología del TPA: la PTAR Salitre en la ciudad de Bogotá y la PTAR Cañaveralejo en la ciudad de Cali. Las experiencias que se han tenido en varios de los países anteriormente mencionados muestran que esta tecnología ha ofrecido beneficios económicos y ambientales con respecto a otras alternativas de tratamiento para descontaminación de aguas residuales. Sin embargo, es necesario realizar estudios de laboratorio y a escala real que aporten información para la implementación de esta tecnología y/o la optimización del proceso en condiciones específicas desde el punto de vista de las condiciones operacionales y la dosificación de productos químicos. En la actualidad, el desarrollo de nuevos polímeros ha permitido reducir las dosis de las sales metálicas usadas como coagulantes, mediante la dosificación de pequeñas dosis de polímero como ayudante de floculación, disminuyendo costos y convirtiendo así este tratamiento como una tecnología viable para el manejo de las aguas residuales. En este artículo se condensan los resultados obtenidos en la línea de investigación que sobre TPA se adelanta en la PTAR Cañaveralejo de las Empresas Municipales de Cali - EMCALI EICE ESP, específicamente en etapas desarrolladas sobre la aplicación de los diagramas de coagulación –floculación con cloruro férrico en el tratamiento de aguas residuales, selección de las dosis óptima de productos químicos y optimización del proceso. Estas investigaciones buscaban verificar las ventajas, limitaciones y viabilidad de aplicación de la tecnología de TPA mediante la construcción de los diagramas de coagulación floculación para el agua residual a tratar en la PTAR Cañaveralejo; determinar la variación horaria de las dosis de químicos requeridas para el TPA de acuerdo con la calidad de las aguas residuales para definir los rangos de dosificación y las dosis más adecuadas alcanzando así las remociones óptimas; comprobar en ensayos a escala real la influencia del gradiente de mezcla y de la dilución del coagulante antes de su aplicación.

METODOLOGÍA Primera etapa: se efectuaron ensayos de jarras para la construcción de los diagramas de coagulación-floculación, determinando los rangos óptimos de pH y dosis de FeCl3, utilizado como coagulante primario, en que predominaban los mecanismos de adsorción-neutralización y barrido. Se construyeron curvas de isoremoción de turbiedad a partir de los resultados obtenidos en los ensayos de jarras para los diferentes rangos de pH obtenidos mediante la adición de NaOH o HCl. Los diagramas se construyeron en función del pH de mezcla o coagulación y la dosis de coagulante, delimitando las regiones en que predominaron los diferentes mecanismos de coagulación. En la construcción de los diagramas se utilizó un programa de computador. Las variables fisicoquímicas (turbiedad inicial y final, pH inicial y de coagulación, temperatura, sólidos sedimentables - SS, sólidos suspendidos totales - SST y demanda química de oxígeno -DQO) y los parámetros de control del ensayo (gradientes, tiempos de mezcla y sedimentación) se analizaron para evaluar la aplicabilidad de los diagramas de coagulación- floculación para el agua residual a tratar. Segunda etapa: se realizaron ensayos para la selección de las dosis optimas de coagulante y ayudante de floculación para los diferentes rangos de calidad del agua residual que se presentan durante el día y estacionalmente en la PTAR-C, por medio de ensayos a escala de laboratorio que consistieron en ensayos de jarras emulando el gradiente de mezcla rápida existente en la PTAR, de esta forma: mezcla rápida a 110 rpm durante 3 minutos, mezcla lenta a 40 rpm por 10 minutos y 5 minutos de sedimentación. Como no se obtuvieron resultados satisfactorios, en los cuales se pretendía encontrar los rangos de dosificación para diferentes periodos del día establecidos con base en la calidad del agua, se analizó la posibilidad de encontrar esos rangos de dosificación mediante la relación SST/DQO, ya que a similares relaciones de estos dos parámetros en el agua cruda aparentemente se requieren dosis similares. Se establecieron las siguientes condiciones: en ningún caso se seleccionó una dosis que resultara con una remoción menor del 60% de SST y del 40% para DQO, se estableció el valor de la relación de SST/DQO del agua cruda para cada hora, se tabularon las correspondientes relaciones de SST/DQO con las dosis aplicadas y la remoción obtenida y se construyeron las gráficas de relación SST/DQO vs. dosis requerida. Además, se llevaron a cabo ensayos a escala real para determinar la influencia de la dilución del coagulante y el gradiente de mezcla, aplicando el coagulante en una de las bombas de la estación de bombeo de aguas residuales de Cañaveralejo afluente a la PTAR. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Primera etapa: los diagramas de coagulación – floculación se obtuvieron para dos condiciones, con FeCl3 únicamente con dosificaciones entre 2 y 160 mg/L,

alcanzando valores de pHCoag entre 3, 6 y 9 unidades y eficiencias de remoción de turbiedad entre 13 y 98%. Para la segunda condición, fue adicionado FeCl3 como coagulante primario y un polímero aniónico como ayudante de floculación, las dosis de FeCl3 variaron entre 2 y 165 mg/L, alcanzando pHCoag entre 3,8 y 9,7 unidades y eficiencias entre 22 y 98%. Las figuras 4 y 5 muestran los resultados obtenidos. Se registraron eficiencias de remoción de SST superiores al 70% con dosis de 15 mg/L en el rango de pH de coagulación estudiado. En las regiones de adsorción – neutralización de carga y barrido, del diagrama con FeCl3 y polímero con dosis de 13 mg/L y 0,2 mg/L respectivamente, se obtuvieron eficiencias de remoción cercanas al 80%. La remoción de materia orgánica medida como DQO presentó eficiencias superiores a 40% con dosis de 15 mg/L de FeCl3, en el rango de pH evaluado y con la aplicación de coagulante únicamente, mientras que con la misma dosis y 0.2 mg/L de polímero las remociones fueron superiores al 67% en la región de coagulación por barrido. La opción que se consideró viable desde el punto de vista de consumo de químicos fue la aplicación de 24,5 mg/L de FeCl3 y 0,1 mg/L de polímero, con la cual se alcanzaron remociones de 65 y 66% de DQO y SST respectivamente. Segunda etapa: se observó que existe una gran variación en cuanto a la dosis óptima requerida de un día a otro incluso para un mismo periodo del día. Con esta imprecisión, se corre el riesgo de que en determinados momentos se presente sobredosificación de coagulante y en otros periodos no se adicione la cantidad requerida. Debido a lo anterior, cuando se estudió la relación SST/DQO, parece lograrse una correlación entre esta con las dosis requeridas, así, parece obtenerse una buena consistencia en los resultados, esto es, similares relaciones de SST/DQO requieren aparentemente dosis similares. Para relaciones de SST/DQO entre 0.306 y 0.358, los requerimientos de dosificación de productos químicos para alcanzar remociones preestablecidas de 40% en DQO y 60% en SST correspondieron a dosis de 20 mg/l de FeCl3.y 0,2 mg/L de polímero; con relaciones comprendidas entre 0.368 a 0.386, los requerimientos de dosificación se incrementaron a 30 mg/l. de FeCl3 y 0,2 mg/L de polímero; relaciones entre 0.386 y 0.404 fluctuaron entre 20 y 30 mg/l. de FeCl3 y 0,2 mg/L de polímero y para relaciones entre 0.404 y 0,477, la dosificación fue de 20 mg/L de FeCl3 y 0,2 mg/L de polímero. Lo anterior nos permite afirmar que entre mayor es la relación SST/DQO se requieren menores dosis de productos químicos para alcanzar el porcentaje de remoción esperado, es decir, a mayores relaciones de SST respecto al contenido de materia orgánica, el agua cruda es mas fácil de tratar mediante la tecnología de TPA. No es posible establecer una generalidad de estos resultados, sin embargo, esta apreciación es válida para este caso en particular.

Para los ensayos a escala real, con e l objeto de evaluar la dilución del coagulante y su aplicación a altos gradientes realizando la mezcla en la voluta de una de las bombas de la estación de bombeo de Cañaveralejo, agua residual afluente a la PTAR, los resultados obtenidos indican una significativa mejora en la remoción de los SST y la DQO, ratificando los resultados obtenidos en la etapa de construcción de los diagramas de coagulación floculación. Una de las ventajas de la dilución del FeCl3 es que torna el producto comercial más fácil de mezclar con el agua residual, potencializando la velocidad de reacción y optimizando la acción de mezcla y la hidrólisis del producto, en especial, cuando el gradiente no es el adecuado. Además, el alto gradiente de mezcla proporciona un contacto adecuado del coagulante y la masa de agua a coagular. Los resultados obtenidos, que pueden visualizarse en la Tabla 1, indican una fuerte mejora en las remociones de los parámetros evaluados cuando se manejan gradientes de mezcla adecuados para la desestabilización de las partículas y se aplica el coagulante diluido en lugar de concentrado. Condiciones Gradiente (s-1)Dosis(mg/L)Turbiedad(UT)DQO(mg/L)SST(mg/L)FeCl3 sin diluir (al 42%) 17 25 25 -31 9 – 36 39 – 55FeCl3 diluido (al 5%) >1000 16 37 - 49 38 - 48 60 –71 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los diagramas de coagulación – floculación mostraron la ocurrencia de dos mecanismos de coagulación, adsorción-neutralización y barrido. Como el mecanismo de barrido se presenta en el rango de pH en el que habitualmente se encuentra el afluente a la planta, se evita el uso y consumo adicional de productos químicos para modificar el pH del agua, con el consecuente incremento de los costos de operación de la planta de tratamiento. Es importante aclarar que en los ensayos de jarras se tuvieron condiciones de mezcla rápida y mezcla lenta apropiadas; sin embargo, el gradiente de mezcla rápida en la PTAR – C en el punto de dosificación del FeCl3 es de apenas 117.5 s-1, el cual puede ser considerado inapropiado. Se recomienda realizar una evaluación complementaria a este estudio que involucre la construcción de diagramas de coagulación – floculación cubriendo los rangos de calidad del afluente que se presentan en la PTAR Cañaveralejo, de forma que se cuente con información adicional que permita tomar decisiones con respecto a la optimización de las dosis de coagulante y ayudante de floculación frente a la variación de la calidad del agua cruda.

Los resultados obtenidos durante el estudio muestran a los diagramas de coagulación –floculación como una herramienta útil para la optimización del tratamiento químico de aguas residuales. Con base en los resultados obtenidos no fue posible establecer la dosis óptima requerida para obtener los porcentajes de remoción esperados en DQO y SST, dada la variabilidad de los resultados de un día a otro incluso para un mismo periodo del día. De establecer una dosis optima bajo este nivel de desconfianza e imprecisión, es posible que en ocasiones se presente una sobredosificación del coagulante aumentando los costos del tratamiento o, en el caso contrario, no se dosifique lo suficiente para alcanzar la remoción deseada. Existe una correlación entre las dosis requeridas y la relación SST/DQO, ya que se pudo observar que a similares valores de la relación se requieren dosis de coagulante similares. Otro aspecto interesante que se pudo observar es que a mayores valores de SST respecto al contenido de materia orgánica, posiblemente el agua cruda es más fácil de tratar por TPA. La dilución del FeCl3 torna el producto comercial más fácil de mezclar con el agua residual, facilitando su hidrólisis y potencializando la velocidad de reacción. Es una forma de optimizar la acción del coagulante y la reacción del producto, en especial cuando se usan gradientes de mezcla apropiados para la aplicación de coagulantes. Los gradientes de mezcla utilizados, tanto a escala de laboratorio como a escala real, muestran la importancia de un grado de agitación alto que favorezca la dosificación de los químicos utilizados en el tratamiento de las agua residuales, con lo cual se obtendrían buenos porcentajes de remoción de materia orgánica y SST y un consumo de químicos que haga viable la implementación de la tecnología desde el punto de vista económico. Lo anterior se acentuó cuando se consideraron parámetros para la coagulación de las aguas residuales como el punto de aplicación y la dilución adecuada del coagulante primario, aspectos técnicos que deben tenerse en cuenta en la implementación de esta tecnología. La dosis de polímero requerida en los diferentes ensayos no debe ser constante para cada una de las dosis de cloruro férrico a emplear, se recomienda variar dosis de floculante en el laboratorio para determinar sus dosis óptimas. Se recomienda la realización de más estudios que ayuden a determinar parámetros de optimización para el tratamiento de las aguas residuales en la PTAR – C.

Agradecimientos: Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología “Francisco José de Caldas”- COLCIENCIAS, BID, Observatorio Colombiano de Ciencia y Tecnología – OCyT, Universidad del Valle, Empresas Municipales de Cali – EMCALI y Fundación BIOCIUDAD.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Acosta C. y Barrios L. (2003). Aplicación de los diagramas de coagulación – floculación con cloruro férrico en el tratamiento de las aguas residuales. Caso: PTAR-Cañaveralejo. Tesis de Pregrado – Universidad del Valle. Cali, Colombia. Campuzano D. y Duque N. (2003). Selección de dosis óptima de productos químicos para el tratamiento primario avanzado de las aguas residuales a tratar en la PTAR-Cañaveralejo y optimización del proceso. Tesis de Pregrado – Universidad Católica de Manizales. Manizales, Colombia.