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Agua potable para comunidades rurales, reuso y tratamientos avanzados de aguas residuales domsticas Captulo 04

Red Iberoamericana de Potabilizacin y Depuracin del Agua 37

Captulo 4

REMOCIN DE HIERRO Y MANGANESO EN FUENTES DE

AGUA SUBTERRNEA PARA ABASTECIMIENTO PBLICO

Resumen

El hierro y manganeso presentes en las fuentes de agua subterrneas para abastecimiento pblico son removidosmediante un proceso no convencional de adsorcin que utiliza zeolita natural tipo clinoptilolita recubierta con xidos demanganeso, el cual se lleva a cabo en una columna de adsorcin idntica a un simple sistema de filtracin. Dichoproceso ha sido aplicado en diversos lugares del pas, tales como Guaymas y Navojoa, Son.; Veracruz, Ver.;Zihuatanejo, Gro.; Texcoco, Edo. de Mxico; Iztapalapa, Cd. de Mxico; Culiacn, Sinaloa y Camargo, Chihuahua. Enestos lugares la concentracin principalmente de manganeso en el agua cruda ha llegado a ser hasta de 2.5 mg/L y entodos los casos se han obtenido concentraciones del agua tratada que cumplen con el lmite mximo permisible de 0.15mg/L de manganeso y 0.3 mg/L de hierro, establecido por la NOM-127-SSA1-1994 de agua para uso y consumohumano. Se han construido tres plantas en el pas, dos en Culiacn, Sinaloa que manejan un caudal de 40 y 55 lpsrespectivamente y una tercera con un caudal de diseo de 630 lps en el ramal Pen-Texcoco estado de Mxico. Las dosprimeras plantas se encuentran actualmente operando con eficiencias promedio de remocin de manganeso del 97 % y latercera se encuentra en etapa de pruebas de arranque con remociones promedio de 97.5 % para el manganeso y 95 % dehierro. As mismo, se est construyendo otra planta en la ciudad de Camargo, Chihuahua, que tratar el agua provenientede dos galeras filtrantes que contienen aproximadamente 0.9 y 0,6 mg/L de manganeso. El proceso presenta diversasventajas comparado con cualquier otro de tipo convencional, principalmente son su alta eficiencia y menor costo deinversin y operacin; largas carreras de operacin debido a que la regeneracin del medio de contacto (zeolita) se haceen lnea de forma simultnea a la remocin de Na y Fe del agua; el proceso se regenera en continuo con la aplicacin decloro, permitiendo que siempre se mantenga una alta capacidad de adsorcin del hierro y manganeso disuelto; elmaterial adsorbente se acondiciona en el lugar usando la misma agua de la fuente a tratar sin la necesidad de adicionarotras sustancias qumicas, adems de la alta disponibilidad de la zeolita en Mxico.

El mecanismo del proceso consiste en un intercambio inico como fase inicial, donde el manganeso disuelto se fija en lasuperficie de la zeolita, seguido por la oxidacin del manganeso sobre la superficie del medio, la cual permite laformacin de una pelcula de xidos (MnOx(s)) sobre el grano del material y finalmente la remocin del manganesodisuelto en el agua, por adsorcin sobre la pelcula de xidos formada sobre el grano del material.

Palabras Clave: Adsorcin: atraccin o adhesin de molculas de un gas, lquido o sustancia disuelta sobre una superficie,oxidacin: combinacin con el oxgeno y, ms generalmente, reaccin en la que un tomo o un in pierde electrones, zeolita natural:silicato natural complejo de ciertas rocas volcnicas, la zeolita tipo clinoptilolita tiene la siguiente frmula, Na6((AlO2)6(SiO2)30))24H2O, siendo el sodio el principal elemento intercambiable pero puede contener en menor proporcin otros cationes como el potasio ocalcio.

Introduccin

En Mxico y en el mundo gran parte de las fuentes de abastecimiento de agua subterrnea se ven afectadas por lapresencia de hierro (Fe) y manganeso (Mn), los cuales se encuentran en forma soluble, que al oxidarse, ya sea almomento de la cloracin o con el oxgeno del aire, se precipitan generando un color oscuro que provoca el rechazo delos consumidores, manchan la ropa, obstruyen tuberas, accesorios y bombas. Hasta el momento no se conocen efectosnocivos para la salud de estos elementos, sin embargo, las concentraciones elevadas de manganeso pueden acelerar elcrecimiento biolgico en los sistemas de distribucin y contribuir a los problemas de sabor y olor en el agua, as mismoaumentan la demanda de cloro u otros oxidantes aplicados en la desinfeccin.

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Otros de los problemas frecuentes asociados a la presencia de hierro y manganeso en el agua, es el arrastre de los xidosdepositados en los interiores de las tuberas por el mismo flujo del agua, originando una coloracin negra la misma.

Las tcnicas comunes empleadas para la remocin de hierro y manganeso presentan diversas limitaciones, como semencionan a continuacin:

AireacinFil tracin. El proceso de aireacin-filtracin se recomienda para agua con alta concentracin de hierro(mayor de 5 mg/L) con el fin de disminuir los costos en reactivos. El equipo usado en este proceso incluye comnmenteun aireador, un tanque de retencin y filtros. El oxgeno de la atmsfera reacciona con las formas solubles de hierro ymanganeso (Fe+2 y Mn+2) del agua cruda para producir xidos relativamente insolubles (Fe +3 y Mn+4) de estoselementos. La velocidad de reaccin depende del pH de la solucin, siendo ms rpida a valores de pH altos. Ya que elmanganeso tiene una velocidad de oxidacin muy lenta va el O2 (ac) esta tcnica no es muy efectiva para la remocinde Mn+2, excepto a valores de pH mayores de 9.5. Para disminuir las concentraciones de manganeso al nivel deseado serequieren frecuentemente un tiempo de reaccin y un tratamiento qumico adicionales (Sommerrfeld, 1999).

Dependiendo de las caractersticas del agua cruda puede ser necesario un tiempo de reaccin hasta de algunas horasdespus de la aireacin. Si las concentraciones de hierro y manganeso total son altas, algunas veces se usan tanques desedimentacin con dispositivos de coleccin y remocin de lodos en vez de tanques de retencin simples. Lasprincipales desventajas del proceso de aireacin-filtracin son el costo inicial alto, y el requerimiento de un tiempo de

retencin y tratamiento qumico adicionales si la concentracin de Mn soluble del agua a tratar es mayor a 1 mg/L.

Oxidacin-Filtracin. El proceso de oxidacin-filtracin consiste normalmente de un sistema de dosificacin deproductos qumicos y filtros. Algunas veces se requiere un tanque de retencin y un sistema de ajuste de pH conhidrxido de sodio (NaOH), hidrxido de calcio o cal hidratada Ca(OH) 2 o carbonato de sodio (Na 2CO3). Como agentesoxidantes pueden usarse gas cloro o hipoclorito. Este proceso opera a pH mayor o igual a 8.4, pero se tienen deficienciasen el proceso de filtracin por la formacin de precipitados coloidales que pasan a travs del filtro (Sommerrfeld, 1999).

Filtracin en medios acondicionados. Los medios filtrantes acondicionados (greensand, birm, antrasand y pirolusita)para remover hierro y manganeso son de naturaleza similar, y su capacidad de regeneracin, adsorcin y filtracindepende de la distribucin de tamao de partcula, de su forma y de los precipitados de xidos de manganeso [MnO2(s)]en su superficie. Normalmente se utiliza permanganato de potasio (KMnO4) como agente oxidante, siendo ste de costoelevado y requiere de un estricto control en su aplicacin debido a su toxicidad (Sommerrfeld, 1999).

Filtracin directa con la aplicacin de sustancias qumicas. Si el Fe y Mn una vez oxidados presentan tamaos muypequeos que no se retienen en los medios granulares de los filtros se requiere de la aplicacin de sustancias qumicas(coagulantes y floculantes) para aglomerar las partculas oxidadas y formar flculos lo suficientemente grandes para serfiltrados (Sommerrfeld, 1999).

Los medios filtrantes granulares deben retener slidos suspendidos (incluyendo el Fe y Mn oxidados) con tamao mayora 10 m. Un lecho filtrante diseado adecuadamente y operando en condiciones ptimas es capaz de remover la mayorade las partculas con tamaos de 5 a 10 m. Las partculas menores a 5 m normalmente pasan a travs del filtro dandocomo resultado concentraciones residuales de Fe y Mn en el agua filtrada.

Tecnologas alternativas.El ablandamiento se aplica para eliminar la dureza del agua, donde la remocin del Fe y Mnes un efecto secundario. Dicho proceso consiste en elevar el pH del agua para precipitar al calcio y magnesio, originando

que se oxide el Fe y Mn y coprecipiten con los carbonatos (a valores de pH mayores de 11). Este mtodo no es muyeficiente, ya que se forman precipitados de manganeso de tamao coloidal que pasan a travs de los filtros cuando no seagregan coagulantes (Sommerrfeld, 1999).

Estabilizacin por secuestro . Los agentes secuestrantes son productos qumicos utilizados para evitar que se precipitenlos metales. Normalmente, tanto el silicato de sodio como los polifosfatos se utilizan para secuestrar Fe y lospolifosfatos para secuestrar Mn. Muchos polifosfatos modernos tienen una larga cadena lineal de fosfatos; el arreglo delas molculas a lo largo de la cadena protege de ataques al material secuestrado y los sujetan durante cierto periodo detiempo o hasta que algn otro factor rompa los enlaces. Los agentes secuestrantes no remueven al Fe y Mn, solo evitanque precipiten y se recomienda su aplicacin slo para sistemas pequeos y concentraciones menores 0.5 mg/L.

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Mtodos biolgicos. El hierro y manganeso tambin pueden ser removidos biolgicamente. Los tratamientos biolgicossiempre requieren de calidades y condiciones especficas del agua cruda, y no todas las aguas subterrneas osuperficiales son factibles econmicamente de ser tratadas. Los tratamientos biolgicos pueden emplearse cuando loscostos de inversin y operacin son menores que los de un proceso fisico-qumico (Sommerrfeld, 1999).

Remocin in-situ. La remocin in-situ consiste en la remocin de Fe y Mn directamente en el manto acufero paraobtener un agua de buena calidad. Este proceso es relativamente nuevo y solo existen algunas instalaciones en operacinen Europa y en los Estados Unidos. Consiste en disolver oxgeno atmosfrico en el agua que se utiliza para la recarga delacufero, para posteriormente ser inyectada. El agua de recarga rica en oxidante (oxgeno) causa que el Fe y Mn formenuna superficie de xidos hidratados alrededor del acufero, creando una zona de tratamiento. Cuando se termina larecarga, el agua subterrnea rica en Fe y Mn pasa a travs de esta zona por efecto de la extraccin por bombeo. Lassuperficies de xidos hidratados adsorben los iones de Fe y Mn, reduciendo las concentraciones de Fe y Mn disueltos.Cuando la zona de tratamiento se agota (se pierde la capacidad de adsorcin de Fe y Mn), se reactiva nuevamente,inyectando agua oxigenada de recarga. Los ciclos de recarga y extraccin se repiten cuantas veces sea necesario. Laduracin de los ciclos est en funcin del agua extrada antes de que los niveles de Fe y Mn rebasen las concentracionesdeseadas (Sommerrfeld, 1999).

Intercambio inico. Este proceso por lo general se aplica para la remocin de la dureza, utilizando resinas sintticas

operando a ciclo de sodio (Na+). La resina intercambia el sodio por iones Ca+2, Co+2, Cu+2, Mg+2, Fe+2 y Mn+2 presentesen el agua; como resultado de este proceso se incrementa la concentracin de sodio en el agua tratada. Una desventaja deeste proceso son los precipitados clcicos formados en presencia de oxgeno que bloquean los sitios de intercambioinico, causando la saturacin de la resina. Este proceso no se recomienda para la remocin de Fe y Mn ya que existeuna mayor selectividad para el calcio y otros iones de mayor valencia.

El Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua (IMTA) ha desarrollado una tecnologa para remocin de hierro ymanganeso disueltos, la cual se basa en la adsorcin del manganeso disuelto sobre zeolita natural tipo clinoptilolitarecubierta con xidos de manganeso.

La tcnica propuesta para la remocin de hierro y manganeso consiste en la combinacin de tres procesos que se llevan acabo en un simple sistema de filtracin: 1) intercambio inico como fase inicial, donde el manganeso disuelto se fija enla superficie de la zeolita, 2) la posterior oxidacin del manganeso sobre la superficie del medio, la cual permite la

formacin de una pelcula de xidos (MnOx(s)) sobre el grano del material y 3) la remocin del manganeso disuelto enel agua, por adsorcin sobre la pelcula de xidos formada sobre el grano del material. La Figura 1 ilustra este proceso.

MnOx(s)

INTERCAMBIO INICO

OXIDACIN

ADSORCIN

Mn + HOCl + H2O MnO2(s) + Cl + 3H2+ -

K

+

Mn2+

Na+

Mn2+

Mn2+

HOClMnOx(s)

MnOx(s)Mn

2+ Mn2+

+

Figura 1 Etapas del proceso de formacin de la capa de xidos de manganeso.

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Esta pelcula es altamente selectiva de los iones de manganeso, Mn(II), seguida de los iones de hierro Fe(II). Oxidandoel manganeso adsorbido en la superficie del grano se regenera la capacidad de adsorcin del medio asegurando unacontinua remocin de hierro y manganeso durante la filtracin.

La aplicacin del oxidante en lnea, en el influente del filtro, garantiza la remocin de los dos contaminantes, laregeneracin del medio y largas carreras de filtracin sin mermar la calidad del filtrado. Dicha tecnologa presentadiversos aspectos posit ivos tales como: largas carreras de operacin con pocas prdidas de carga; el proceso se regeneraen continuo con la aplicacin de cloro, permitiendo que siempre se mantenga una alta capacidad de adsorcin del hierroy manganeso disuelto, el material adsorbente se acondiciona en el lugar (in situ) sin la necesidad de adicionar otrassustancias qumicas, adems de la alta disponibilidad de la zeolita en Mxico.

El proceso ha sido probado mediante estudios en campo en diversos lugares del territorio nacional: Guaymas y Navojoa,Son.; Veracruz, Ver.; Zihuatanejo, Gro.; Texcoco, Edo. de Mxico; Iztapalapa, Cd. de Mxico; Culiacn, Sinaloa yCamargo, Chihuahua. En estos lugares la concentracin de manganeso en el agua cruda ha llegado a ser hasta de 2.5mg/L de manganeso y en todos los casos se han obtenido concentraciones del agua producida que cumplen con el lmitemximo permisible de 0.15 mg/L de manganeso y 0.3 mg/L de hierro, establecido por la NOM-127-SSA1-1994 de aguapara uso y consumo humano.

El IMTA ha asesorado a la Junta Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Culiacn, Sinaloa (JAPAC), en eldiseo funcional de tres plantas potabilizadoras para remover el hierro y manganeso disueltos en agua para uso yconsumo humano, en la cual se aplica la tecnologa anteriormente descrita.

La primera planta se construy en la zona denominada La Platanera, Sindicatura de Villa Adolfo Lpez Mateos enCuliacn, para tratar el caudal de un pozo de 40 lps, cuyas concentraciones de manganeso van de 0.4 a 0.5 mg/L. Inicisu operacin en abril del ao 2000, con eficiencias de remociones promedio de manganeso del 97%, obtenindoseconcentraciones mximas de manganeso residual de 0.01 mg/L.diez veces inferiores al lmite mximo establecido en laNOM-127-SSA1-1994.

La segunda planta denominada Campia II inici su operacin en junio del 2001 y remueve el 98% del manganesopresente en la mezcla de dos pozos (de 1.5 a 1.8 mg Mn /L) cuya suma de gastos es de 55 lps y al igual que Laplatanera, est constituida por seis filtros a presin que operan totalmente automatizados.

Ambas plantas se empacaron con zeolita natural blanca tipo clinoptilolita proveniente de la regin de Culiacn, conespesores de lecho de 60 y 70 cm respectivamente.

La tercer planta (en diseo) ser ubicada al margen del ro Humaya y tratar el agua proveniente de una batera de nuevepozos cuyas concentraciones de manganeso van de 0.19 hasta 3.7 mg/L, de los cuales seis pozos se encuentran fuera dellmite mximo establecido por la NOM-127-SSA1-1994 de agua para uso y consumo humano. La mezcla de los nuevepozos contiene 0.86 mg/L de manganeso y un caudal total de 225 lps.

As mismo, el IMTA, a peticin de la Gerencia Regional de Aguas del Valle de Mxico (GRAVAMEX) de la ComisinNacional del Agua (CNA) dise una planta potabiliza dora para el Ramal Pen-Texcoco, en la que se aplica latecnologa antes mencionada.

La planta del Ramal Pen-Texcoco, cuenta con un gasto de diseo de 630 lps, la cual operar a una tasa de filtracinde 13.8 m/h en ocho filtros a gravedad, cuyas dimensiones son de 5 metros de largo por 4.10 metros de ancho con unrea individual de filtracin de 20.5 m2 (164 m2 de rea total de filtracin).

El medio de contacto (material filtrante) es de zeolita natural verde tipo clinoptilolita proveniente de las minas deOaxaca, con una profundidad de lecho de 70 cm y un soporte de grava de 40 cm. La construccin de la planta se inicien el mes de diciembre de 1999 y se concluy en la segunda mitad del 2001. Durante las pruebas de arranque, la plantaha operado durante periodos mayores de 24 horas, removiendo en promedio el 97.5% de manganeso y 95% de hierro.

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En la ciudad de Camargo, Chihuahua como una primera fase de la transferencia de la tecnologa se realizaron pruebas enlas dos principales fuentes de abastecimiento, las galeras filtrantes denominadas Las Cuatas y La Herradura, en laprimera se realiz una carrera de filtracin de 69 horas continuas tratando un caudal de 1.17 lps removiendo el 96.27%de manganeso y el 72.41% de hierro. En la segunda se oper durante 47 horas continuas tratando un caudal de 1 lpsremoviendo el 94.17% de manganeso y el 72.56% de hierro. Actualmente, se dise y se inici la construccin de una

planta que tratar el agua de ambas galeras.Objetivo

El objetivo general de esta investigacin fue bsicamente desarrollar y aplicar una tecnologa no convencional de altaeficiencia para terminar con los problemas que ocasiona el hierro y el manganeso en el agua subterrnea que se utilizapara uso y consumo humano. Dicha tecnologa contiene aspectos muy atractivos para su aplicacin, tales como susimplicidad, economa y alta eficiencia.

Metodologa

Como una primer etapa se realizaron pruebas en el laboratorio, posteriormente se aplicaron en algunos lugares quepresentan tales problemas de contaminacin, inicialmente se utilizaron columnas de adsorcin fabricadas en acrlico de 9cm de dimetro y en otros lugares se utiliz una planta potabilizadora mvil de un lps con adaptaciones para aplicar elcloro justo a la entrada de los filtros (verFiguras 2 y 3). Finalmente se disearon las plantas a escala real para resolverlos problemas que ocasionan el hierro y manganeso a los consumidores.

Figura 2 . Planta potabilizadora mvil Figura 3 . Columnas de acrlico

En este trabajo se presentan algunos de los resultados obtenidos en los estudios piloto, la transferencia de la tecnologa ylas eficiencias de las plantas que se encuentran actualmente operando.

Con los estudios en laboratorio y en campo se obtuvieron los principales parmetros de diseo para las plantaspotabilizadoras a escala real, siendo bsicamente los siguientes:

Tiempo de contacto: 2 a 3 minutosTamao de grano: 0.5 a 1.5 mmTasa (velocidad) de filtracin: 10 a 15 m3/m2hAplicacin de cloro: entrada de las columnasDosis de cloro: demanda + 0.5 a 1.5 mg/LTiempo de retencin en el sedimentador: 1 a 2 horasTasa (velocidad) de retrolavado: 90 m3/m2h.

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La tecnologa se ha transferido a la Junta Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Culiacn, Sinaloa (JAPAC), ala Comisin Nacional del Agua (CNA) y a la Junta Municipal de Agua y Saneamiento de Camargo, Chihuahua (JMAS).

La transferencia ha consistido en disear, asesorar, supervisar y evaluar la operacin de las plantas, haciendo los ajustes

necesarios en la operacin.El sistema de tratamiento consta bsicamente de filtros columna de adsorcin), un crcamo de bombeo del agua tratadapara enviar a distribucin y para los retrolavados del filtro, un sedimentador para recuperar el agua de retrolavado yseparar los lodos y un sistema de cloracin, como se muestra en laFigura 4 .

.

Figura 4. Sistema de tratamiento para remocin de Fe y Mn en agua para uso y consumo humano

Agua sedimentada

Agua cruda Sedimentador

Crcamo

Filtro(zeolita)

Agua de retrolavado

Agua filtrada

Agua pararetrolavado

Aplicacinde cloro Lodos

Distribucin

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Resultados

Estado de Sonora, Mxico. Los primeros estudios piloto se realizaron en el agua que abastece la ciudad de Guaymas,Sonora , la cual presenta concentraciones promedio de manganeso de 0.5 mg/L. El sistema de abastecimiento consta deonce pozos ubicados cerca de ciudad Obregn, Son. al margen del ro Yaqui, y es transportada por una tubera de

asbesto-cemento de 36 pulgadas de dimetro y 120 km de longitud (500 lps en 1995). Los pozos del ro Yaqui presentandiferentes concentraciones de manganeso que van de 0.1 a 1.5 mg/L. Los problemas de coloracin en el agua eincrustaciones en el sistema de distribucin se manifiestan en mayor grado cuando hay interrupciones de energaelctrica en los pozos, que al restablecerlos arrastran los precipitados acumulados a lo largo de la tubera llegando hastalas tomas domiciliarias. En este estudio se utilizaron las columnas de acrlico antes mencionadas (Pia, M. 1997).

El primer punto de prueba fue precisamente en uno de los pozos que aportan la mayor cantidad de manganeso al sistemay cuenta con un caudal de extraccin de 100 lps (En 1995), el pozo No. 1 (Pia, M. 1997). La tasa de filtracin(velocidad de filtracin) vari de 13 a 15 m3/m2h, y como se observa en la Figura 5, al iniciar la aplicacin de cloro sereduce la concentracin de manganeso remanente en el efluente del filtro, hasta llegar a valores inferiores a los queestablece la Norma Oficial Mexicana. La corrida de filtracin fue de 54 horas y siempre se mantuvo una alta eficienciaen la remocin de manganeso. Las perdidas de carga mximas en el filtro fueron de 36.5 cm, las cuales se reducen hasta9.5 cm despus de un retrolavado (Pia, M. 1997).

El segundo punto fue en la tubera de unin de todos los pozos (36) estacin 100+340. Se oper a tasas de filtracinde 15 y 10 m3/m2h durante 52 horas, manteniendo siempre una concentracin remanente de manganeso inferior al lmitemximo permisible de Norma 127 como se muestra en laFigura 6(Pia, M. 1997).

Figura 5 . Remocin de manganeso y concentracin de cloro en el efluente del filtro, en el pozo No. 1, Guaymas,

Sonora.

0

0.15

0.3

0.45

0.6

0.75

0.9

1.05

1.2

1.35

1.5

0 10 20 30 40 50 60

TIEMPO DE OPERACIN (horas)

MANGANESO (mg/L)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2CLORO LIBRE (mg/L)

NOM-127-SSA1-1994

Mn EFLUENTE

Mn INFLUENTE

CLORO EFLUENTE

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Figura 6. Remocin de Mn y velocidad de filtracin en la tubera de unin de los pozos

(estacin 100+340), Guaymas, Sonora.

En Navojoa, Sonora se utiliz la planta potabilizadora mvil de un litro por segundo para realizar los estudios deremocin de hierro y manganeso.

Durante la estancia en la Cd. de Navojoa, Sonora se analiz la calidad del agua de los 15 pozos con los que se abastecedicha Ciudad, que suman un caudal total de 767 lps.

En general la calidad del agua de los pozos es aceptable, exceptuando aquellos con alto contenido de Mn que sobrepasanlos lmites mximos permisibles por la NOM-127 que establece un mximo de 0.15 mg/L como son el caso de los pozosNo. 2, 3, 13, 14, 17 y 18, y otros que presentan altas concentraciones de slidos disueltos debida a su dureza, tal es elcaso de los pozos No. 6, 12, 16 y San Ignacio que sobrepasan el lmite mximo permisible de 500 mg/L de durezaexpresada como CaCO3 establecido por la NOM-127.

De los 15 pozos nicamente 6 pozos llegan al tanque de bombeo y cloracin denominado Dtil, donde una vez cloradocon gas cloro a una concentracin aproximada de 1.5 mg/L de cloro libre residual se bombea al sistema de distribucinque abastece la zona centro de la ciudad que es la mas densamente poblada (Pia, M. 1997).

Los pozos que abastecen el tanque Dtil son los pozos nmero 2, 3, 7, 12, 13 y 14; y el mayor aportador de Mn es elpozo No. 14, adems de ser el que tiene un gasto mayor (120 lps), por tal motivo se decidi tratar el agua de dicho pozo

colocando la planta mvil justo antes de la entrada al tanque y se hizo un By pass de la tubera de llegada del pozo 14,donde el agua tratada se descarg al mismo tanque (Pia, M. 1997).

Los 9 pozos restantes abastecen de manera individual a otras poblaciones aledaas al centro de la Ciudad, en tales pozosla cloracin se efecta en lnea aplicando en la mayora de los casos hipoclorito de sodio en solucin directamente en latubera de salida de cada pozo (Pia, M. 1997).

Uno de los pozos que se cloran en lnea y con mayor problema de precipitaciones de Mn (1.3 mg/L) es el pozo 17,donde el organismo operador (OOMAPAS) tiene un mayor nmero de quejas del poblado que se abastece de dicho pozopor el aspecto del agua y los problemas que le ocasiona a la ropa (Pia, M. 1997).

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55


MANGANESO (mg/L)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20VELOCIDAD DE FILTRACIN (m/h)

Mn INFLUENTE

VEL. DE FILTRACIN

Mn EFLUENTE

NOM-127-SSA1-1994

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La planta oper durante 267 horas continuas y en las primeras 69 horas se aplicaron gases oxidantes generados en unacelda electroltica que utiliza sosa (NaOH) y sal comn (NaCl), en el tiempo restante se aplic hipoclorito de sodio(NaOCl) empleando una bomba dosificadora (Pia, M. 1997).

Con la finalidad de evaluar la velocidad mxima de filtracin que soporta el sistema, se fue aumentado gradualmentedicha velocidad hasta alcanzar los 25.3 m/h con una concentracin promedio de cloro libre residual igual a 2.57 y 1.51mg/L en el efluente e influente respectivamente, manteniendo siempre una alta eficiencia en la remocin de manganeso,como se aprecia en laFigura 7(Pia, M. 1997).

Figura 7. Remocin de manganeso y velocidad de filtracin en el pozo No. 14, Navojoa, Sonora

Estado de Veracruz, Mxico. En Veracruz, Ver. al igual que en Navojoa, Son., se utiliz la planta potabilizadora mvilde un litro por segundo y se realizaron en el pozo denominado El Vergel, cuya concentracin de manganeso vara de0.39 a 0.54 mg/L. La concentracin de hierro en determinadas horas del da excede ligeramente el lmite mximopermisible de 0.3 mg/L establecido por la Norma 127.

Como se aprecia en la Figura 8, durante el periodo de pruebas siempre se mantuvo al hierro y manganeso remanentesdentro de los lmites que establece la Norma 127. El gasto fue de 1 a 1.1 lps (tasa de 18-20 m/h).

Estado de Chihuahua, Mxico. En el estado de Chihuahua, las pruebas se realizaron en la ciudad de Camargo, apeticin de la Junta Municipal de Agua y Saneamiento (JMAS) y de la presidencia municipal de la misma entidad.

Se utiliz la planta potabilizadora mvil (Figura 2) y se trat el agua proveniente de las dos fuentes principales deabastecimiento de dicha ciudad, ambas son galeras filtrantes que se abastecen del ro Conchos, una conocida comoLas Cuatas y la otra La Herradura.

Galera filtrante Las Cuatas.- La planta piloto oper durante 69 horas continuas tratando un caudal de 1.17 lps yremoviendo el 96.27% de manganeso. El agua cruda ingresaba con una concentracin promedio de manganeso de 0.531mg/L y se obtuvo una concentracin promedio en el agua tratada de 0.023 mg/L, dicha concentracin representa un

0

0.15

0.3

0.45

0.6

0.75

0.9

1.05

1.2

1.35

1.5

0 50 100 150 200 250 300

Tiempo de operacin (horas)

0

2

4

6

8

10

12

14

1618

20

22

24

26

28Manganeso (mg/L) Velocidad de filtracin (m/h)

Mn agua cruda

Velocidad de filtracin

Mn agua tratada

NOM-127-SSA1-1994

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valor 6.6 veces inferior al lmite mximo permisible que establece la NOM-127-SSA1-1994 de agua para uso y consumohumano, la cual fija su concentracin en 0.15 mg/L.

La remocin del manganeso vari de 99.8 a 89.1% (96.27% en promedio) como se muestra en laFigura 9 .

Figura 8 . Remocin de Fe y Mn en Veracruz, Veracruz

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8 10 12


MANGANESO (mg/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4HIERRO (mg/L)

Mn INFLUENTE

Mn EFLUENTE

Fe INFLUENTE

Fe EFLUENTE

NORMA PARA Fe

NORMA PARA Mn

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Figura 9 . Remocin de Mn en la galera Las Cuatas.

A pesar de que la concentracin de hierro en el agua cruda presenta valores muy inferiores (0.024 mg/L en promedio) allmite mximo que establece la NOM-127-SSA1-1994, en el agua tratada se obtuvieron concentraciones residualespromedio de 0.007 mg/L, representado esto el 72.41% de remocin como se aprecia en laFigura 10.

Figura 10. Remocin de Fe en la galera Las Cuatas

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 10 20 30 40 50 60 70


ENTRADA

SALIDA

Hierro (mg/L)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo de operacin (horas)

ENTRADA

SALIDA

NOM-127-SSA1-1994

Manganeso (mg/L)

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Galera filtrante La Herradura. La planta piloto en este sitio oper durante 47 horas continuas. Se trat un caudal deun lps, removiendo el 94.17% de manganeso, es decir, el agua cruda ingresaba con una concentracin promedio demanganeso de 0.84 mg/L y se obtuvo una concentracin promedio en el agua tratada de 0.041 mg/L, dichaconcentracin representa un valor 3.7 veces inferior al lmite mximo permisible que establece la NOM-127-SSA1-1997de agua para uso y consumo humano (Figura 11).

En el agua cruda la concentracin promedio de hierro fue de 0.1 mg/L y en el agua tratada se obtuvieronconcentraciones residuales promedio de 0.027 mg/L, representado esto el 72.56% de remocin (Figura 12).

Posterior a estas pruebas, se dise una planta potabilizadora cuya construccin se realizar en dos etapas. La primeretapa estar constituida por seis filtros cilndricos en acero de 1.55 metros de altura til por 1.8 metros de dimetro, loscuales operarn a presin y estn constituidos por 45 toberas en el fondo, las cuales se distribuyen a travs de 15 tubosde 2 de dimetro.

La parte superior de los filtros cuenta con 16 tubos de 2 para la distribucin del agua de entrada. Tanto las toberas delfondo como los tubos de distribucin estn calculados para un gasto de agua de retrolavado de 65 lps (velocidad de 90m/h).

Figura 11. Remocin de Mn en la galera La Herradura.

0

0.15

0.3

0.45

0.6

0.75

0.9

1.05

0 10 20 30 40 50


ENTRADA

SALIDA

NOM-127-SSA1-1994

Manganeso (mg/L)

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Figura 12. Remocin de Fe en la galera La Herradura.

Se dise un crcamo de bombeo de aproximadamente 500 m3 y un sedimentador circular con una capacidad de 39 m3,esto con la finalidad de soportar 65 lps durante un tiempo mximo de 10 minutos. Cada filtro cuenta con vlvulas para elcontrol del agua filtrada y el agua de retrolavado. Los seis filtros se disearon para tratar un caudal de 60 lps, es decir, auna tasa de filtracin de 14 m3/m2h.

La segunda etapa ser incrementar el nmero de filtros hasta 10 para tratar un caudal de 100 lps y conservar lasvelocidades de filtracin recomendadas.

Culiacn, Sinaloa Mxico. Despus de una etapa de pruebas, se disearon tres plantas potabilizadoras para remocin dehierro (Fe) y manganeso (Mn) en la ciudad de Culiacn, Sinaloa. La primer planta se construy en la zona denominadaLa Platanera (Figura 13), Sindicatura de Villa Adolfo Lpez Mateos en Culiacn y trata el caudal de un pozo de 40lps, cuyas concentraciones de manganeso se encuentran en un rango de 0.4 a 0.5 mg/L.

Figura 13. Planta potabilizadora La Platanera.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 10 20 30 40 50


ENTRADA

SALIDA

Hierro (mg/L)

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Dicha planta inici su operacin en abril del ao 2000, manteniendo hasta el momento, eficiencias promedio deremocin de manganeso del 97%, es decir, se obtienen concentraciones mximas de manganeso residual diez vecesinferior al lmite mximo establecido en la NOM-127-SSA1-1994 (Figura 14).

Figura 14. Remocin de Mn de los filtros 1 y 5 de la planta potabilizadora La Platanera.

La segunda planta denominada Campia II (Figura 15) actualmente se encuentra tratando un caudal de 55 lps del aguaproveniente de dos pozos, en cuya mezcla la concentracin de manganeso es de 1.5 mg/L, de los cuales remu eve el 98%de manganeso, es decir, se obtienen 0.03 mgMn/L como se aprecia en laFigura 16.

Figura 15. Filtros (izquierda), sedimentador, bombas y cuarto de cloracin (derecha) de la planta potabilizadora

Campia II.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 5 10 15 20 25 30


Efluente filtro 1Efluente filtro 5

Agua cruda

NOM-127-SSA1-1994

Manganeso (mg/L)

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Una tercera planta (Humaya) se encuentra diseada para tratar un caudal de agua de 225 lps proveniente de unabatera de nueve pozos situados en la orilla del ro Humaya.

Figura 16. Remocin de manganeso en la planta Campia II.

Texcoco, Estado de Mxico. Al igual que algunos de los casos analizados anteriormente, despus de un periodo depruebas se decidi disear y construir una planta potabilizadora que tratar un caudal de 630 lps, como se menciona enla introduccin del presente documento (Figura 17).

Figura 17. Planta para remocin de Fe y Mn del ramal Pen-Texcoco.

00.15

0.30.45

0.60.75

0.9

1.051.2

1.351.5

1.651.8

1.952.1

2.252.4

0 10 20 30 40 50


NOM-127-SSA1-1994

Efluentes de los 6 filtros

AGUA CRUDA (mezcla de los pozos No. 1 y 2)

Pozo No. 2

MANGANESO (mg/L)

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La planta potabilizadora del Ramal Pen-Texcoco, cuenta con un sistema de retrolavado de los filtros basado en airey agua, cuenta dems, con un sedimentador cuyo volumen funcional es de 276.75 m3, de geometra circular, con undimetro de 12 m. El agua clarificada se bombea desde el sedimentador a la lnea de agua cruda y los lodos se evacuanpor bombeo a unos filtros prensa.

El sistema de abastecimiento Ramal Pen-Texcoco lo constituyen 15 pozos profundos conectados a una lnea deconduccin que suministra agua potable a la zona norte de Ciudad Nezahualcoyotl, Edo. de Mxico. Siete de los pozosse encuentran en plataformas dentro del lago Nabor Carrillo y ocho en los camellones de la autopista Mxico-Texcoco,el caudal de cada pozo oscila entre 60 y 100 lps.

De los 15 pozos normalmente funcionan 11, en forma alternada, suministrando actualmente 630 lps. La capacidad detodos los pozos es mayor de 1000 lps.

La concentracin de manganeso en todos los pozos se encuentra por arriba de la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 para agua potable, con variaciones que van de 0.16 a 4.61 mg/L, originando una mezcla cuyasconcentraciones son de 0.22 mg/L de hierro y 1.52 mg/L de manganeso respectivamente, sobrepasando el lmite mximopermisible establecido para el manganeso.

Durante el ltimo ao la planta ha operado de manera intermitente, se han realizado a la fecha varios intentos de

arranque, y hasta el momento no se ha establecido una operacin continua, los motivos son principalmente la falta de lalnea nueva de conduccin, que hoy en da ya est terminada, solo que el organismo operador ODAPAS por el momentono tiene la capacidad de rebombeo.

Durante el penltimo arranque, la planta oper por un periodo mayor de 24 horas, de las 15:40 horas del 3 de octubre de2002 hasta las 20:00 horas del da 4 del mismo mes, durante tal periodo se monitoreo la concentracin principalmente demanganeso en el influente y efluente de la planta y se obtuvieron remociones promedio del 97.5% como se observa en laFigura 18 .

De igual manera se monitoreo la concentracin de cloro en el agua cruda y tratada, que presentaron bajasconcentraciones de residual en el agua tratada, dando como consecuencia bajas eficiencias en algunos momentos durantela operacin, como se aprecia en el punto de las 17.3 horas (Figura 18).

Se tom una muestra de Fe a las 24.4 horas de operacin, dando como resultado una remocin del 95.23%, es decir, elagua cruda ingres con una concentracin de 0.063 mg/L y se obtuvo en el agua tratada una concentracin 0.003 mg/L.

Se tuvieron problemas con la dosificacin de cloro, de ah la irregularidad en la eficiencia del proceso, aunado a esto, sevariaron los flujos en la planta, pero a pesar de todo, se demostr la alta eficiencia del proceso.

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0

0.15

0.3

0.45

0.6

0.75

0.9

1.05

1.2

1.35

1.5

0 5 10 15 20 25 30Tiempo de operacin (horas)

Manganeso (mg/L)

Agua cruda

Agua tratada

NOM-127-SSA1-1994

Figura 18. Remocin de Mn en la planta del ramal Pen-Texcoco, Edo. de Mxico.

Conclusiones

Con los resultados obtenidos en todas las pruebas se comprueba la alta eficiencia de la tecnologa desarrollada por elIMTA para la remocin de hierro y manganeso disueltos, las concentraciones obtenidas en el agua tratada cumple conlos lmites mximos permisibles que establece la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, Salud ambiental.Agua para uso y consumo humano. Lmites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su

potabilizacin.

Para garantizar la adecuada regeneracin del medio de contacto (zeolita) se debe aplicar una cantidad de cloro tal quegarantice un residual de cloro libre en el efluente de los filtros de 0.5 a 1.5 mg/L. Cumpliendo con este requisito, no esnecesaria una desinfeccin adicional en el sistema, por lo que se asegura una adecuada calidad bacteriolgica como loestablece la misma Norma.

Debido a que el proceso se regenera en lnea sin la necesidad de interrumpirlo, se obtienen largas carreras de operacinsin afectar la calidad del efluente, garantizando un agua libre de Fe y Mn.

Los retrolavados que se le aplican a los filtros tienen la finalidad de evitar la colmatacin de medio al desprender unaparte importante de los xidos formados en la superficie de la zeolita, y su frecuencia va a depender de la concentracindel Fe y Mn en el agua cruda.

Al no retrolavar los filtros se reduce el rea de contacto del medio filtrante propiciando una disminucin de los sitios de

adsorcin, originando con esto una disminucin en su eficiencia.

La aplicacin de esta tecnologa a escala real por la JAPAC y la CNA demuestra la efectividad de la misma y crea unaexcelente alternativa para otros organismos operadores de agua con problemas de contaminacin de hierro y manganeso.

La Platanera resuelve un problema de ms de diez aos en villa Adolfo Lpez Mateos, Culiacn.

Es un tratamiento no convencional de alta eficiencia, el sorbente es selectivo de los iones Fe(II) y Mn(II), es decir, queno existe interferencia con otros cationes, es de bajo costo en operacin y mantenimiento, no genera prdidas de cargapor un sistema de adsorcin y existe una alta disponibilidad de zeolita en el Pas.

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El acondicionamiento inicial se lleva a cabo in-situ, sin la necesidad de aplicar otras sustancias qumicas. Las eficienciaspromedio de remocin del manganeso son del 97%.

Bibliografa

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