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PROCESO DE COAGULACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE
UNA HELADERIA: EFICIENCIA DE DIFERENTES COAGULANTES DE ORIGEN
INORGÁNICO.
FERNANDA CAROLINA LOPERA LOPEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA
BOGOTA D.C
2019
1
PROCESO DE COAGULACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE
UNA HELADERIA: EFICIENCIA DE DIFERENTES COAGULANTES DE ORIGEN
INORGÁNICO.
FERNANDA CAROLINA LOPERA LOPEZ
Proyecto de Grado presentado como requisito
para optar al título de Licenciada en Química.
Director: Luis Eduardo Peña Prieto
PhD en Química
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA
BOGOTA D.C
2019
2
Dedicatoria
A mi hijo, quien me ha visto luchar por este logro en el transcurso de su corta vida.
De igual forma le dedico este trabajo a mi mamita Blanca, por haberme acompañado en este
proceso y por no desampararme cuando más lo necesité.
A toda mi familia que es lo mejor y más valioso que Dios me ha dado.
3
Agradecimientos
A los profesores del Proyecto Curricular de Licenciatura en Química de la Universidad Distrital
en especial al profesor Luis Eduardo y la profesora Marisol, por su apoyo y paciencia para
orientarme y dedicar una parte de su tiempo a la revisión de mi trabajo monográfico.
A mi madre por haberse preocupado siempre por mí, por brindarme su apoyo incondicional e
impulsarme a seguir adelante en este camino de formación académica.
A mi hijo Juan Nicolás, quien es mi logro más importante y mi apoyo para salir adelante cada
día, espero que lo que hoy siembro en la educación de nuestro país los ayude a formar como
persona crítica y auto reflexiva en su futuro próximo.
A mis hermanas Paola y Jessica por compartir conmigo los momentos más importantes de
mi vida.
A mis compañeros que ya se graduaron, a los que se quedaron a mitad de camino y a aquellas
compañeras que a pesar de tener hijos al igual que yo, no desistieron de este logro tan
importante.
4
Contenido Dedicatoria .............................................................................................................. 2
Agradecimientos ..................................................................................................... 3
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 7
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................... 8
2.1. Descripción del problema ............................................................................ 8
2.2. Pregunta problema ....................................................................................... 8
3. JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES ............................................................... 9
3.1. Justificación .................................................................................................. 9
3.2. ANTECEDENTES ......................................................................................... 10
4. HIPÓTESIS ...................................................................................................... 12
5. OBJETIVOS ..................................................................................................... 13
5.1. Objetivo general .......................................................................................... 13
5.2. Objetivos específicos ................................................................................. 13
6. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 14
6.1. El agua ......................................................................................................... 14
6.2. Características físicas ................................................................................ 14
6.2.1. Turbiedad ................................................................................................. 14
6.2.2. Sólidos ...................................................................................................... 14
6.2.2.1. Sólidos suspendidos ............................................................................ 14
6.2.2.2. Sólidos totales ...................................................................................... 14
6.2.3. Color ......................................................................................................... 15
6.2.4. Olor y sabor .............................................................................................. 15
6.2.5. Conductividad .......................................................................................... 15
6.2.6. pH .............................................................................................................. 15
6.3. Características químicas ............................................................................ 15
6.3.1. Alcalinidad ................................................................................................ 15
6.3.2. Acidez ....................................................................................................... 16
6.3.3. Dureza ....................................................................................................... 16
6.3.4. Cloruros .................................................................................................... 16
6.3.5. Oxígeno Disuelto (OD) ............................................................................. 16
6.3.6. Demanda química de oxígeno (DQO) ..................................................... 16
6.3.7. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) ................................................ 16
5
6.3.8. Aceites y grasas....................................................................................... 17
6.4. Características biológicas .......................................................................... 18
6.5. Usos principales del agua .......................................................................... 19
6.5.1. Uso doméstico ......................................................................................... 19
6.5.2. Uso industrial ........................................................................................... 19
6.6. Fuentes contaminantes del agua ............................................................... 19
6.6.1. Urbanas o sociales .................................................................................. 19
6.6.2. Industriales ............................................................................................... 20
6.6.3. Agropecuarias .......................................................................................... 20
6.6.4. Naturales .................................................................................................. 20
6.7. Componentes naturales del agua potable y de consumo ........................ 20
6.7.1. Componentes primarios .......................................................................... 20
6.7.2. Componentes secundarios ..................................................................... 20
6.7.3. Componentes terciarios .......................................................................... 20
6.8. Contaminantes del agua, agua residual .................................................... 21
6.9. Clasificación de los contaminantes en efluentes de agua y su impacto en
el medio ambiente ................................................................................................. 21
6.10. Normas y panorama ambiental en Bogotá ............................................. 22
6.10.1. Normas de calidad y límites permisibles del agua potable en Colombia
22
6.10.2. Panorama ambiental. Valores promedio de carga contaminante ..... 23
6.11. Tratamientos usados en la depuración de aguas residuales ............... 25
6.11.1. Aspectos generales para depuración de aguas residuales ............... 25
6.11.2. Métodos de tratamiento de aguas residuales ..................................... 26
6.12. Coagulación química ............................................................................... 26
6.12.1. Coloides ................................................................................................ 27
6.12.2. Coagulantes .......................................................................................... 30
6.12.2.1. Sales de Aluminio.............................................................................. 32
6.12.2.2. Sales de Hierro .................................................................................. 34
6.12.3. Ventajas y desventajas de los diferentes coagulantes ...................... 35
6.12.4. pH óptimo de coagulación ................................................................... 35
6.13. Fases de la coagulación .......................................................................... 36
6.14. Mezcla rápida ........................................................................................... 38
6.15. Factores que influyen en el proceso ...................................................... 38
6
6.16. Ensayos para el control del proceso de coagulación ........................... 39
6.16.1. Ensayo de Jarras .................................................................................. 39
6.17. Diseño de experimentos .......................................................................... 39
6.17.1. Análisis estadístico por Tukey en ANOVA. ......................................... 41
7. Metodología .................................................................................................... 42
7.1. Descripción de los ensayos de coagulación ............................................ 42
7.2. Determinación de grasas y aceites ............................................................ 45
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................. 48
8.1. Coagulación ................................................................................................ 48
8.2. Diseño experimental para coagulación ..................................................... 65
8.3. Grasas y aceites .......................................................................................... 85
9. CONCLUSIONES ............................................................................................ 86
10. RECOMENDACIONES ................................................................................. 87
11. REFERENCIAS ............................................................................................ 88
12. ANEXOS ....................................................................................................... 93
7
1. INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales provenientes de la elaboración de productos alimenticios, se
caracterizan principalmente por tener valores bajos de pH debido a la fermentación de
productos lácteos, materia orgánica y sólidos suspendidos de las materias primas (leche,
frutas, etc.), que tienen altas concentraciones de carbohidratos, proteínas y grasas; los
valores varían entre fábricas y de la cantidad de agua utilizada para el beneficio (Zambrano y
Rodríguez, 2008).
En Bogotá aproximadamente desde el año 2014 se dieron a conocer cifras alarmantes por la
secretaría de medio ambiente con respecto a los vertimientos de aguas residuales en
diferentes centros comerciales de la ciudad, tales como Centro Comercial Centro Mayor,
Centro Comercial Plaza Imperial, Centro Comercial BIMA, entre otros; sitios que no cumplían
con los límites de vertimientos estipulados en la resolución 631 del 2015 (para vertidos a
cuerpos de agua superficial) y además vertían sus aguas residuales en humedales aledaños,
provocando grandes afectaciones para el medio ambiente y la comunidad. A partir de la
publicación de estas noticias (Dávila, V, 2014 & Redacción Bogotá. 2017) y el sellado de
diferentes locales comerciales de la ciudad, los centros comerciales han promovido algunas
iniciativas medio ambientales para mitigar la contaminación; tal como lo realizó el centro
comercial Fontanar quien cuenta con una planta de tratamiento para aguas lluvias (Ptall) y
una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Fontanar cuenta con Certificación
Leed Gold por ser una construcción sostenible, optimizando el uso de energía, aire y agua,
así mismo, la Cámara de Comercio Colombo-británica les otorgó el primer puesto en ‘Mejor
Programa de Prácticas ambientales “2016”. El Centro comercial Plaza de las Américas
también cuenta con programas ambientales dentro de sus instalaciones. Allí se recogen los
aceites de cocina usados de sus locales de comidas para evitar el vertimiento y la
contaminación de afluentes y por mencionar un último, el Centro Comercial Centro Mayor,
quien a pesar de pasar estos sellamientos hoy en día cuenta con el premio PREAD nivel IV
(Programa de excelencia ambiental del Distrito) por acercar y promover políticas ambientales
dentro de sus instalaciones.
En procura de la mitigación del impacto ambiental negativo como resultado de las descargas
de las aguas residuales, este trabajo se ha tenido como objetivo principal la evaluación de
diferentes coagulantes de origen inorgánico utilizados en el proceso de depuración de aguas
residuales, evaluando parámetros como la eficiencia de remoción de carga orgánica; para
ello se realizaron diferentes pruebas mediante el ensayo de jarras (jarr test) para seleccionar
la dosis óptima de coagulante, se determinó la turbidez final y se comparó con la inicial para
conocer la eficiencia de remoción en cada uno de los tratamientos; los resultados semejantes
o similares fueron analizados mediante un análisis estadístico por el método tukey para
establecer si existían diferencias significativas y así seleccionar el coagulante adecuado para
la depuración del agua residual.
8
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
2.1. Descripción del problema
Dada la baja implementación de sistemas de depuración de aguas residuales por parte de
cada local de comidas, aduciendo la complejidad del proceso, por los permanentes
taponamientos de las tuberías, por la falta de protocolos y capacitación del personal, se
requiere evaluar alternativas de tratamiento a las aguas residuales de una heladería, que
permitan disminuir la carga que se vierte por el desagüe y que sean de fácil implementación
por parte de los trabajadores.
2.2. Pregunta problema
¿Cuál es la eficiencia en la remoción de la carga orgánica medida como turbidez, de cinco
coagulantes de origen inorgánico en el proceso de tratamiento de las aguas residuales de
una heladería?
La mayor contaminación en las aguas residuales del café es de tipo orgánico constituido por
sólidos suspendidos, sólidos disueltos y por diversos compuestos orgánicos, por lo que un
parámetro como la Turbiedad permitiría evaluar la eficiencia real de eliminación de carga
orgánica de las aguas residuales de la heladería por la acción coagulante de sales
inorgánicas.
9
3. JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES
3.1. Justificación
En los centros comerciales de Bogotá se han desarrollado sistemas biológicos para el
tratamiento de las aguas residuales, que permiten cumplir con la normativa ambiental vigente
y disminuir los impactos negativos ocasionados en la disposición final de los vertimientos;
dichos sistemas biológicos de tratamiento tienen como característica unos tiempos de
retención hidráulica de 1 semana y requieren de un monitoreo permanente por parte del
usuario de la tecnología para evitar que se presenten sobrecargas orgánicas, hidráulicas y el
taponamiento de tuberías, lo cual se convierte en un inconveniente en el momento de adoptar
la tecnología por parte del personal de los centros comerciales. Teniendo en cuenta lo
anterior, es necesario realizar investigaciones orientadas a eliminar los inconvenientes que
presentan las aguas residuales, ofreciéndole a los trabajadores de restaurantes, heladerías y
demás locales dedicados a la elaboración y preparación de alimentos alternativas costo-
efectivas que les permita disminuir el tamaño de las plantas de tratamiento, reducir los
tiempos de procesos y reducir el tiempo y costo del mantenimiento de estas. Una de las
alternativas que puede ser viable para la depuración de las aguas residuales en uno de los
locales de un centro comercial de Bogotá dedicado a la elaboración y preparación de helados,
es el tratamiento químico por medio de procesos de coagulación-floculación con sales
químicas de origen inorgánico, dicho proceso no reviste altos costos y constituye en una
alternativa que debe ser estudiada y evaluada con el fin de satisfacer las necesidades en el
campo del tratamiento de las aguas residuales. La evaluación de sales inorgánicas como
coagulantes para el tratamiento de aguas residuales es de gran importancia dado que:
1. Cada local de comidas puede hacer uso del sistema, disminuyendo el taponamiento
de cañerías
2. Los tiempos de proceso en los tratamientos son cortos
3. Los postratamientos serán más completos
10
3.2. ANTECEDENTES
El compromiso ambiental es un factor relevante que puede llegar a determinar la
competitividad entre las empresas, sin embargo, vemos que muy pocas empresas han
incorporado con éxito el factor ambiental en su gestión diaria. La preparación y elaboración
de alimentos en la ciudad de Bogotá se encuentra en crecimiento, pero a la vez genera un
gran impacto ambiental el cual resulta muy significativo debido a la cantidad de empresas
dedicadas a este oficio debido a la importante carga de efluentes que constituyen el principal
foco de contaminación. Por lo tanto, se debe hacer énfasis en la depuración adecuada de los
mismos, previo a su vuelco a los cursos de agua. (Isaza, M. 2012.) Este tipo de trabajos se
han venido realizando haciendo énfasis en disminuir la carga orgánica en valores de turbiedad
como sólidos en suspensión y sedimentables, DQO, DBO, grasas, color y metales pesados
en las aguas residuales haciendo uso de diferentes coagulantes de origen orgánico e
inorgánico (Remoción de materia orgánica por coagulación- floculación por Gómez, N. &
Marín, J. 2005). (Tratamiento de efluentes de la industria alimentaria por coagulación-
floculación utilizando almidón de Solanum tuberosum L. ‘papa’ como alternativa al manejo
convencional por Molano, J. & Iannacone, J. 2016)
La coagulación química es un proceso esencial en el tratamiento del agua y aguas residuales
industriales (Pernitsky, D. J., Edzwald, J.K., 2006), este proceso ha sido usado por décadas
y actualmente se sigue usando para desestabilizar suspensiones coloidales; de esta manera
se logra la precipitación de materia orgánica y especies inorgánicas eliminándolas así,
mediante la sedimentación o filtración (Aguilar, M.I. 2002. Schulz, C. R. Okun, D.1984).). Este
proceso se lleva a cabo generalmente con la adición de sales inorgánicas de aluminio e hierro
gracias al poder de cada especie a disminuir el potencial eléctrico (zeta) de las partículas
coloidales. También se logra haciendo uso de especies naturales como flores, semillas u
hojas conocidos como coagulantes naturales, pero los resultados de remoción no son
totalmente eficientes cuando el agua presenta grandes niveles de turbidez (Díaz, J.2014), por
ende, estos coagulantes han sido usados principalmente para la clarificación de aguas para
consumo o de bajos niveles de turbiedad (coagulantes y floculantes naturales usados en la
reducción de turbidez, sólidos suspendidos, colorantes y metales pesados en aguas
residuales por Bravo, M. & Castrillón, W. & Celis, C & Matulevich, J. & Ortiz, A. 2017).
Además, la cantidad de coagulante natural es tan alta que se sigue prefiriendo el uso de
coagulantes inorgánicos (Tratamiento de aguas residuales de una central de sacrificio: uso
del polvo de la semilla de la m. Oleífera como coagulante natural por Arias, A. & Hernández,
J. & Castro, A. & Sánchez, N. 2017).
Durante el proceso de coagulación se presentan dos fenómenos: El primero, esencialmente
químico, consiste en las reacciones del coagulante con el agua y la formación de especies
hidrolizadas con carga positiva. Este proceso depende de la concentración del coagulante y
el pH final de la mezcla. El segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de
especies hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua. (Barrenechea, A.
2004). Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100s, y
varía entre muestras dependiendo de las características del agua, tales como: pH,
temperatura, cantidad de partículas, etcétera (Rui et al. 2012). Este proceso se lleva a cabo
en una unidad de tratamiento denominada mezcla rápida haciendo uso de un floculador o un
Test de jarras. De allí en adelante, se necesitará una agitación relativamente lenta, la cual se
realiza dentro del floculador gracias al uso de paletas giratorias. En este tipo de equipos las
partículas chocarán entre sí, se aglomeran y forman otras mayores denominadas flóculos
11
(Borchate, S.S. 2014) las cuales pueden ser removidas con mayor eficiencia por los procesos
de sedimentación, flotación o filtración (Sans, R. Ribas, J.P. 1989) La remoción de los
coágulos está relacionada con una buena coagulación y de esta buena eficiencia dependen
las siguientes etapas de tratamiento como: floculación, sedimentación y filtración.
Actualmente se realizan tratamientos de coagulación de manera tecnológica, como la
electrocoagulación una tecnología que emergió en el año de 1906 de manera muy simple y
sin fundamento práctico ni teórico, pasando los años ha sido perfeccionada y usada para
eliminar contaminantes en el agua que se encuentran suspendidos o emulsificados; haciendo
uso de la energía, a pesar de ser muy eficiente es un tratamiento demasiado costoso y pocas
industrias lo practican. (La electrocoagulación: una alternativa para el tratamiento de aguas
residuales por Arango, R. 2005).
Los resultados encontrados en este tipo de investigaciones han sido evaluados mediante
análisis estadístico para facilitar el diseño experimental, es aquí donde se comparan los
valores obtenidos debido a las similitudes que hay entre estos mismos; el análisis estadístico
más usado es el de la prueba de Tukey, el cual muestra si existen o no diferencias
significativas entre las medias, en consecuencia, se elige un proceso óptimo. (Remoción de
nutrientes en aguas residuales de un matadero de reses usando un reactor biológico
secuencial por Carrasquero, S. & Marquina D. & Soto, J. & Viloria, S. & Pire, M. & Diaz, A.
2015). (Tratamiento de las aguas residuales del proceso de curtido tradicional y alternativo
que utiliza acomplejantes de cromo por Córdova, H. & Vargas, R. & Cesare, M. & Flores, L.
& Visitación, L. 2014). (Mezclas con potencial coagulante para tratamiento de lixiviados de un
relleno sanitario por Laines, J. & Goñi J. & Adams, R. & Camacho, W. 2008)
12
4. HIPÓTESIS
A. Al menos uno de los coagulantes usados en el proceso de coagulación es óptimo para
el proceso, disminuyendo los niveles de turbidez en un 50% sin mostrar grandes
cambios en el pH y denotando grandes beneficios en los costos
B. Ninguno de los coagulantes es óptimo y/o los costos de tratamiento son demasiado
costosos que se imposibilita su uso
13
5. OBJETIVOS
5.1. Objetivo general
Evaluar mediante el ensayo de Jarras la eficiencia de remoción de la turbiedad en función de
los sólidos suspendidos de diferentes coagulantes de origen inorgánico en aguas residuales
de una heladería
5.2. Objetivos específicos
● Demostrar por medio de la tabulación y las gráficas los resultados de cada uno de los
coagulantes en diferentes dosis mediante el ensayo de jarras
● Analizar por el método de Tukey si existen diferencias estadísticamente significativas
entre los porcentajes de remoción de la turbidez de cada uno de los coagulantes para
saber cuál es el más efectivo
● Seleccionar cuál es el coagulante más efectivo y menos costoso dependiendo de: el
comportamiento de la dosis aplicada, la turbidez, pH y temperatura en el agua
residual.
14
6. MARCO TEÓRICO
6.1. El agua
El agua en el planeta es uno de los compuestos que coexiste en sus tres estados
fundamentales, posee extraordinarias propiedades físicas y químicas que le dan la posibilidad
de reaccionar de manera extraordinaria con otros compuestos; además se considera, “el
disolvente universal”, debido a su capacidad de generar puentes de hidrógeno con otras
sustancias, ya que estas se disuelven más rápido cuando interaccionan con la parte polar del
agua.
6.2. Características físicas
Las características físicas que presenta el agua le dan unas propiedades únicas, sin embargo,
hay que tener cuidado con estas ya que nos pueden llegar a indicar si el agua se encuentra
contaminada o no; estas características son principalmente la turbiedad, el color, el olor y el
sabor entre otras; las cuales se describen a continuación.
6.2.1. Turbiedad
La turbiedad o turbidez como también se le conoce, es una propiedad que muestra la cantidad
de luz cuando se atraviesa un cuerpo de agua; esta puede variar dependiendo la cantidad de
materia orgánica o inorgánica que esté presente de manera disuelta en el agua, ya siendo de
grande, mediano o pequeño tamaño. (Giraldo 1995). Esta propiedad genera deficiencias en
la calidad del agua, los valores de turbiedad sirven para determinar el nivel de tratamiento
que se requiere para la fuente de agua, así como para “determinar si es potable o no”.
(Romero, 1999)
6.2.2. Sólidos
El agua contiene diferentes sólidos conforme el origen de esta. Se habla por lo general de
tres tipos de sólidos; suspendidos, totales y volátiles. A su vez, estos desprenden otros tipos
de sólidos, tales como sólidos suspendidos fijos y sedimentables, sólidos totales fijos, sólidos
totales volátiles.
6.2.2.1. Sólidos suspendidos
Este tipo de sólidos, son sólidos que han sido transportados gracias a la acción de arrastre
del agua, ya sea el viento o corrientes de agua; los sólidos más pequeños con un tamaño
menor a 0.01 mm no se sedimentan rápidamente (decaen por acción de la gravedad) y son
considerados sólidos no sedimentables, y los sólidos más grandes con un tamaño mayor a
0.01 mm son sedimentables, es decir que decaen por acción de la gravedad.
6.2.2.2. Sólidos totales
Son un tipo de sólidos que después del calentamiento han quedado como residuo, resultado
del calentamiento y secamiento del agua, el contenido de estos sólidos puede ser tanto de
origen orgánico como inorgánico; lo que va a definir el origen será la temperatura a la que se
sequen y queden como residuo.
15
6.2.3. Color
El color como propiedad del agua proviene de fuentes ya sean orgánicas o inorgánicas, es
decir que puede ser ocasionado por la presencia de iones de carácter metálico, lodo, residuos
industriales. Este tipo de coloración debe ser eliminada del agua para su posterior uso, sea
general o industrial. Tal como establece Giraldo en 1995, “las aguas residuales industriales
suelen requerir la supresión de color antes de su desagüe”. (Giraldo, 1995)
6.2.4. Olor y sabor
El agua pura por lo general no debería presentar olor ni sabor, aunque esto se ve alterado
por la concentración de ciertos minerales, materia orgánica en solución como plantas, algas,
rocas e inorgánica tales como ácido sulfúrico, calcio, magnesio, entre otros. La determinación
de olor y sabor es fundamental para evaluar la calidad de esta, con esta evaluación se
establece si el agua es óptima para el consumo humano.
6.2.5. Conductividad
La conductividad mide el número de iones o minerales presentes en solución en el agua
(Roldán, 2003), se dice que entre más iones o minerales posea el agua menos calidad tendrá,
por esto la conductividad se convierte en un método eficaz para determinar su calidad.
6.2.6. pH
El pH es la variación con respecto a la acidez o basicidad que experimenta una solución, esta
variación es debido a la cantidad de protones hidronio o iones hidroxilo presentes en esta. Al
haber una variación de pH variará la coloración del agua analizada (Girado, 1995).
Comúnmente se debe realizar un análisis de pH en cualquier tipo de agua, para determinar
su calidad y sus condiciones óptimas para el consumo, el agua se ve afectada y cambia de
pH debido a factores como la contaminación. El pH del agua puede variar entre 0 y 14 siendo
14 el punto máximo de basicidad que puede tener una sustancia y 7 como el punto intermedio.
6.3. Características químicas
Un análisis químico de aguas permite observar, cualitativamente y cuantitativamente la
cantidad de minerales y compuestos presentes en el cuerpo de agua. El análisis permite
ubicar por calidad diferentes cuerpos de agua, estos análisis abarcan lo que es la alcalinidad,
acidez, cloruros, etc.
6.3.1. Alcalinidad
Es la capacidad que tiene esta para poder neutralizar los ácidos disueltos, las altas
concentraciones son debido a las concentraciones de carbonatos (CO3=) disueltos
principalmente, estas son producto de la reacción entre el Dióxido de carbono (CO2) sobre
los materiales básicos, como rocas cálcicas y demás. También se debe al contenido de otros
compuestos de carácter básico como Silicatos, Fosfatos, Boratos, en menor medida, aunque
son muchos los materiales que pueden promover la alcalinidad, en aguas; esta es
básicamente una función del contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos inmersos.
(Giraldo, 1995).
16
6.3.2. Acidez
La acidez del agua es la capacidad de estos cuerpos para reaccionar con bases fuertes o
débiles a un determinado pH (Severiche, 2013), se puede deber a grandes o bajas
concentraciones de dióxido de carbono no combinado, de ácidos minerales producto de
industrias o contaminación o de sales de ácidos fuertes y bases débiles disueltos que alteran
la concentración de iones hidroxilo en los cuerpos de agua, lo que aumenta la acidez y
disminuye el pH.
6.3.3. Dureza
Esta propiedad se define como “la suma de las concentraciones de iones calcio y magnesio”
(Severiche, 2013); estos valores son expresados como carbonatos de calcio en miligramos
por litro (mg/L), las altas concentraciones de iones calcio y magnesio suelen ser perjudiciales
para la salud, provocando problemas intestinales, hasta úlceras. Según la Resolución 2115
del 2007, en el capítulo número 7 del Ministerio de Ambiente de Colombia para la calidad del
agua, la dureza del agua para el consumo humano expresada en concentraciones de CaCO3
no debe superar los 300 mg/L y de Mg no superior a los 36mg/L (Resolución 2115, 2007).
6.3.4. Cloruros
Los cloruros en forma de iones Cl-, es uno de los aniones inorgánicos más abundantes en
aguas tanto naturales como residuales, debido a que los excrementos humanos en especial
la orina, contiene una concentración de 6g/ml de iones cloruro al día, lo que aumenta al llegar
al afluente mayor de descarga (desagüe), los mares también contienen concentraciones
elevadas de iones cloruro debido a las evaporaciones naturales de las mismas. (Giraldo,
1995)
6.3.5. Oxígeno Disuelto (OD)
Es una propiedad muy importante para medir las condiciones ya sean de tipo aerobias o
anaerobias de un medio en particular, las variaciones de OD dependen de las
concentraciones y la estabilidad de materia orgánica que está presente en los medios, “parte
del oxígeno disuelto en el agua es el resultado de la fotosíntesis de las plantas acuáticas”
(Romero, 1996), la determinación de oxígeno disuelto nos permiten cuantificar otros factores
importantes como la demanda biológica y química de oxígeno DQO y DBO.
6.3.6. Demanda química de oxígeno (DQO)
Es un parámetro metódico de contaminación que mide la cantidad de materia orgánica que
está contenida en muestras de agua y que reacciona mediante una oxidación, ya que son
susceptibles de hacerlo. este análisis se usa para medir la cantidad de contaminación
presente y se expresa en miligramos de Oxígeno por litro de solución (mg O2 /L)
6.3.7. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
La demanda bioquímica de oxígeno es el método más importante en calidad de aguas, se
determina la demanda bioquímica a cinco días, que muestra la cantidad de materia orgánica
17
que se oxidó en este periodo de tiempo. Según Giraldo en 1995, la materia orgánica que se
encuentra disuelta en los cuerpos de agua se divide en tres tipos de materiales:
1. “Materiales orgánicos carbónicos, utilizables como fuente de alimentación por
organismos aeróbicos.
2. Nitrógeno oxidable, derivado de la presencia de nitritos, amoniaco, y en general
compuestos orgánicos nitrogenados que sirven como alimentación para bacterias
específicas.
3. Compuestos químicos reductores (iones ferrosos, sulfitos sulfuros) que se oxidan por
oxígeno disuelto”.
Los resultados que arrojen estos valores, dependen de diferentes factores como la
temperatura, el pH del agua, las bacterias, los niveles de toxicidad de los microorganismos,
etc.
6.3.8. Aceites y grasas
Se conoce por grasas y aceites a aquel conjunto de sustancias que son poco solubles en
depósitos acuíferos, por lo general se separan por flotación ya que forman natas, películas o
capas nacaradas que permanecen sobre el agua, las principales grasas y aceites están
formados por cadenas de poli hidrocarburos saturados o insaturados, comúnmente con
cadenas de ácidos carboxílicos.
Los aceites y grasas son muy difíciles de transportarse por las tuberías, por lo que generan
taponamientos abruptos disminuyendo la capacidad de flujo fluvial, son muy difíciles de
eliminar biológicamente por lo que se necesita un pretratamiento residual, las empresas que
más contaminan las aguas con residuos de grasas y aceites por lo general son de empresas
animales, ya sea de cárnicos o curtiembres. Para lograr su eliminación por lo general se usan
acidificaciones o agregación de coagulantes. (Romero, 1996).
Las aguas pueden contener otro tipo de sustancias debido a procesos residuales industriales
y arrastre de las lluvias, que pueden llegar a generar enfermedades o problemas en el
organismo en grandes cantidades, estas están descritas en la siguiente tabla:
Sustancia Cambio en el sabor
Cambio en la coloración
Problemas Gastroenterológicos o
la muerte
Fenol X
Cromo hexavalente
X X
Plomo X
Hierro X X X
Cobre X X
Zinc X
18
Magnesio X X
Cloruro X
Sulfatos X
Nitratos X
Tabla 6.3. Resumen de otras sustancias que llega a contener el agua que generan alteraciones
en el organismo. (Orellana, 2005)
6.4. Características biológicas
El agua posee gran variedad de elementos biológicos, desde los microorganismos hasta los
animales, estos microorganismos pueden llegar a ser de origen natural o agregados por
labores industriales y que han sido arrastrados por el suelo gracias a las acciones de la lluvia.
Estos microorganismos llegan a incrementarse por las propiedades físicas y químicas del
agua siendo la de mayor influencia la materia orgánica y la temperatura, cuando se
incrementa la cantidad de materia orgánica se debe hacer un seguimiento para evitar la
pérdida de las fuentes de agua y posibles problemas gastroenterológicos por su consumo.
A continuación, en el siguiente esquema se indican los principales elementos biológicos que
influyen en la potabilización del agua.
Esquema 6.4. Principales elementos biológicos que influyen en la potabilización del agua. Adaptado
de Orellana, 2015.
19
6.5. Usos principales del agua
El agua suele tener una amplia variedad de aplicaciones, ya sea para fines recreativos, para
mantener la vida acuática y silvestre, para usarse en la parte agrícola, para uso industrial o
como abastecimiento público (Ramos, 2003). Estas aplicaciones se suelen dividir en tres
categorías: uso industrial, uso doméstico para uso general y sanitario y servicios públicos
riego de áreas verdes, fuentes, parques, etc.
6.5.1. Uso doméstico
Este tipo de uso se divide en cuatro categorías, uso residencial, uso comercial, institucional y
recreacional. Esta es necesaria para satisfacer los requerimientos básicos de la población en
general.
En la siguiente tabla se resume las características de estos usos:
uso doméstico Características
Residencial Lavado de manos, necesidades básicas, lavado de autos y regar el jardín.
Comercial Agua para fines higiénicos y sanitarios, depende de la actividad que se desarrolle.
Institucional Consumo en hospitales, colegios, etc.
Recreacional Piscinas, centros turísticos,
Tabla 6.5.1. Tipos de usos domésticos y sus principales características. Adaptado de Ramos 2003
6.5.2. Uso industrial
Varios autores como Ramos, Giraldo y Romero coinciden en que este tipo de uso se realiza
para procesos tales como elaboración de productos, transformación de la materia prima, agua
para los procesos, enfriamiento de condensadores, motores, calderos, cuartos de lavado, y
servicios generales. Su demanda depende de la industria y no hay un promedio establecido,
también aclaran que para este uso el agua puede ser desde origen potable hasta agua sin
tratar. El residuo generado o agua residual que se genera por lo general debe tener controles
para su vertimiento, esto depende de la industria y los procesos que se realicen, es claro
aclarar que este tipo de uso es el que más afecta el panorama ambiental en todo el planeta.
6.6. Fuentes contaminantes del agua
Las fuentes de contaminación del agua se clasifican según su procedencia, estos pueden ser
áreas urbanas o sociales, procesos industriales, de origen agropecuario, y fuentes naturales.
6.6.1. Urbanas o sociales
Son aquellas que provienen del uso doméstico, cuando estas ya no tienen un uso para la
comunidad, estos procesos pueden ser del lavado de la ropa, baño, lavado de loza, limpieza
de la casa, etc.
20
6.6.2. Industriales
Son aquellas que provienen de actividades industriales, correspondiendo así a la
transformación de la materia prima y su finalidad para satisfacer la población. Cada Industria
dependiendo la actividad que realice arroja volúmenes considerables de aguas residuales,
estas pueden llegar a presentar características fisicoquímicas perjudiciales para el medio
ambiente como metales pesados, pH, grasas, aceites, sustancias orgánicas o inorgánicas,
etc. El Ministerio de Ambiente colombiano vigila estas industrias para que el impacto que
generan sea mínimo al medio ambiente.
6.6.3. Agropecuarias
Son aquellas que se usan para procesos de granja, tales como lavado de animales y riego
de plantas o campos agrícolas, como consecuencia de estos riegos hay una gran descarga
de fertilizantes, herbicidas, plaguicidas, ocasionando una alteración en los ecosistemas
acuáticos cercanos a donde llega el agua residual; es difícil el control de estas fuentes de
contaminación debido a que la mayoría de estas actividades agrícolas no tienen un centro
receptor de aguas.
6.6.4. Naturales
Son aquellas que provienen del arrastre de materia orgánica por aguas lluvias y ríos
crecientes, cuando llueve el agua llega a las zonas boscosas o pantanosas, el caudal de los
ríos se incrementa y arrastra todas las hojas y desechos animales hasta su cauce
aumentando así de manera natural su carga orgánica produciendo contaminación.
6.7. Componentes naturales del agua potable y de consumo
La calidad del agua puede definirse por sus características químicas, físicas, biológicas o por
su uso, estos se clasifican en componentes primarios, secundarios o terciarios
6.7.1. Componentes primarios
Dentro de los componentes primarios encontramos todos las sustancias químicas, tales como
Calcio, Cloruro, magnesio, Ácidos carbónicos, Sodio, Silicio, Sulfatos y sólidos disueltos
totales.
6.7.2. Componentes secundarios
Dentro de los componentes secundarios encontramos Amoniaco, Fluoruros, Hierro, Boratos,
Nitrato, Potasio, Carbonatos.
6.7.3. Componentes terciarios
Dentro de los componentes terciarios encontramos Zinc, Fosfatos, Manganeso, Plomo,
Cobre, Aluminio, Arsénico, Bario y Bromuro.
21
6.8. Contaminantes del agua, agua residual
El agua residual está caracterizada particularmente por sus parámetros fisicoquímicos y
biológicos, estos parámetros varían entre industrias y según la actividad que se realice;
cuando se aprovecha el agua residual es necesario conocer estos parámetros y mejorarlos
para evitar posibles afecciones tanto a la naturaleza como a los animales incluyendo a las
personas. Estos parámetros están resumidos en la siguiente tabla conforme a la actividad
que los generó.
Característica Actividad
Físicas Producto del uso doméstico e industrial, degradación de materia orgánica, descomposición de residuos
Color, olor, temperatura, Turbidez, Conductividad
Químicas Producto del uso doméstico, comerciales, industriales, agrícolas y degradación de materia orgánica
Carbohidratos, tensoactivos, proteínas, grasas y aceites, alcalinidad, cloruros, nitrógeno, pH metales pesados
Biológicas efluentes de plantas de tratamiento
animales, plantas
Tabla 6.8 Características del agua residual y actividad que las genera. Adaptado de Ramos 2003. El
agua en el medio ambiente: muestreo y análisis P 66-67.
En el proceso de tratamiento de aguas residuales, hay ciertos contaminantes de mayor
importancia, los cuales tienen que ser controlados, estos pueden ser: Sólidos en suspensión
e inorgánicos disueltos, materia orgánica biodegradable y refractaria, metales pesados, entre
otros.
6.9. Clasificación de los contaminantes en efluentes de agua y su impacto
en el medio ambiente
Después de generar la descarga de agua habiendo sido estas de uso doméstico, industrial,
agrícola u otros, llegan a una recepción (Ramos,2003), donde se homogenizan unas con otras
y se convierten en un agua residual general. Los diferentes contaminantes que se pueden
encontrar en estas aguas residuales pueden ser clasificados en sustancias orgánicas,
organismos microbianos, sustancias radiactivas, sustancias inorgánicas entre otras (Romero,
1996).
En la siguiente tabla se resumen estos contaminantes y sus características principales
Contaminantes Contenido Origen
Sustancias orgánicas
Proteínas, carbohidratos, lípidos (grasas, aceites)
Desechos animales o vegetales y actividades humanas
22
Contaminación microbiana
Salmonellas, Polio virus, micobacterium,
Excretas humanas o animales
Sustancias radiactivas
Residuos radiactivos Plantas industriales, centros de investigación y hospitales
Sustancias inorgánicas
Sales inorgánicas, metales pesados
Todos los procesos
Tabla 6.9. Clasificación de los contaminantes en efluentes de agua. Retomado de Ramos, 2003.
Impacto al medio ambiente
La descarga de sustancias orgánicas provoca un decremento en la cantidad de oxígeno
disuelto en los cuerpos de agua poniendo en peligro la vida acuática. La contaminación
microbiana, sustancias radiactivas e inorgánicas, repercute en la calidad de vida humana que
llegan a consumir estas aguas contaminadas, produciendo enfermedades graves que llegan
a provocar hasta la muerte.
6.10. Normas y panorama ambiental en Bogotá
6.10.1. Normas de calidad y límites permisibles del agua potable en
Colombia
En Colombia existe un límite permisible tanto para el consumo (agua potable) como para la
descarga (agua residual). La empresa encargada de la potabilización (ACUEDUCTO de
Bogotá) debe tener un control de estos parámetros fisicoquímicos. microbiológicos y
propiedades organolépticas para no perjudicar la salud de la población.
A continuación, un resumen de los principales límites permisibles en Colombia para el agua
de consumo; regido por la Resolución 2115 de 2007.
Resolución 2215 de 2007
Características físicas Valor máximo aceptable
Color aparente 15 unidades de Platino Cobalto (UPC)
Olor y sabor Aceptable
Turbiedad 2 unidades Nefelométricas de Turbidez (NTU)
Características químicas Valor máximo aceptable
Cloro Residual 0.3- 2.0 mg/L
pH 6.5- 9.0
Nitratos 10 mg/L
Alcalinidad total 200 mg/L CaCO3
Cloruros 250 mg/L
23
Dureza total 300 mg/L CaCO3
Características microbiológicas Valor máximo aceptable
Coliformes totales 0 unidades de Coliformes Fecales /100 cm3
Coliformes fecales 0 unidades de Coliformes Fecales /100 cm3
Tabla 6.8. Características físicas, químicas y microbiológicas del agua para el consumo humano.
Adaptado de la Resolución 2115 de 2007.
6.10.2. Panorama ambiental. Valores promedio de carga contaminante
Como se mencionaba anteriormente, los parámetros físicos, químicos y biológicos del agua
residual dependen del tipo de actividad que las produjo, según el siguiente gráfico, en
Colombia en un censo que realizó el Ministerio de Ambiente y el DANE, las fábricas o
Industrias son las actividades que más agua residual producen diariamente, resaltando a las
Industrias de madera y papel seguido de las industrias de alimentos.
Imagen 6.10.2. Volumen de agua vertida por grupos de divisiones industriales 2015. Recuperado de
DANE 2015
Estas descargas de contaminantes llegan a cuatro puntos específicos de la ciudad de Bogotá,
según un informe entregado por la Secretaría Distrital de Medio ambiente en el año 2012 se
llegó a tener una carga contaminante superior a los 70 mil Toneladas por (DBO), esta
información la podemos corroborar en la siguiente imagen, tomada del informe que se
presentó, siendo el Río Fucha el sitio de recepción con más alta carga contaminante
superando las 35 mil Toneladas anuales.
24
Imagen 6.10.2.1. Carga unitaria de DBO5 vertida al canal Torca y a los Ríos Salitre, Fucha y Tunjuelo.
Tomado de Informe sectorial, Secretaría distrital de Ambiente. 2013.
Según la Resolución 631 de 2015, la normatividad ambiental aplicable para el sector
productivo de alimentos establece un límite de concentración o cantidad de vertimientos
máximo para las industrias alimenticias el cual se muestra en la siguiente tabla:
Industria grasas y aceites (mg/L)
Sólidos Suspendidos Totales (SST) mg/L
Sólidos Sedimentables (SSED) mg/L
Demanda Química de Oxígeno (DQO) mg/L O2
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) mg/L O2
pH
Alimenticia 100,00 600,00 2,00 1500,00 800,00 5–9
Tabla 6.10.2.2 límite de concentración o cantidad de vertimientos máximo para las industrias
alimenticias. Adaptado de Capítulo VIII, artículo 16 de la Resolución 631 de 2015 Ministerio de Medio
Ambiente.
La sexta fase de seguimiento de efluentes industriales y corrientes superficiales de Bogotá
arrojó los siguientes resultados de vertimiento para distintos tipos de industrias alimenticias
en la ciudad, los cuales se pueden observar en la siguiente tabla:
25
Industria N° Vertimientos mensuales
DQO (mg/L)
DBO (mg/L)
relación DQO/DBO (ml/L)
Producción, transformación y
conservación de carne y de derivados
cárnicos
52 1242 674 1,74
Elaboración de alimentos compuestos
principalmente de frutas, legumbres y
hortalizas
22 1923 1275 1,68
Elaboración de productos lácteos 15 2078 1440 1,46
Elaboración de productos de panadería 14 877 425 1,70
Elaboración de bebidas fermentadas 8 661 363,5 1,61
Elaboración de bebidas no alcohólicas,
producción de aguas minerales
8 250 116 2,15
Elaboración de cacao, chocolate y
productos de confitería
6 336 121,55 2,22
Tabla 6.10.2.3. Rangos de Variación de la DQO (mg/l), DBO (mg/l) y de la Relación DQO/DBO.
Adaptado de VI Fase de Seguimiento de Efluentes Industriales y Corrientes Superficiales de Bogotá
D.C.
Como se observa, las industrias que incumplen la norma vigente son demasiadas sin contar
con otro tipo de industrias que aquí no se muestran. Lo que demuestra que la falta de
implementación de sistemas de tratamientos para residuos industriales es insuficiente. En la
actualidad, el diseño, implementación funcionamiento, mantenimiento de plantas de
tratamientos de aguas residuales es demasiado costoso y el seguimiento de las entidades
encargadas no es constante.
6.11. Tratamientos usados en la depuración de aguas residuales
Las aguas provenientes de usos industriales, agropecuarios, comerciales y domésticos
necesitan un tratamiento complejo y costoso antes de ser desechadas o reutilizadas. El
objetivo de la depuración es disminuir los parámetros más contaminantes y así alcanzar la
calidad indicada en la Resolución vigente para poder ser eliminadas, generalmente a los
diferentes cuerpos abiertos de aguas (ríos, otros).
6.11.1. Aspectos generales para depuración de aguas residuales
Todo proceso de depuración o tratamiento de aguas residuales plantea dos propósitos
principalmente: La remoción de sólidos para mejorar el aspecto físico del agua (disminución
de la turbidez) y la remoción o reducción de organismos nocivos para el medio ambiente y los
humanos.
26
6.11.2. Métodos de tratamiento de aguas residuales
Los tratamientos convencionales de tratamiento de aguas residuales incluyen entre tres a
cuatro pasos, siendo estos el pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y
tratamiento terciario o avanzado
Pretratamiento: Aborda todo el proceso de transporte del agua hacia donde se llevará a cabo
el tratamiento, también incluye procesos de eliminación de sólidos flotantes de gran tamaño
haciendo uso de mallas o barreras con un diámetro específico, generalmente entre 1.5
pulgadas de abertura hasta 2.5 pulgadas, y son de acero inoxidable para evitar la corrosión
(Conagua,2016), también se realiza eliminación de grasas por flotación.
Tratamiento primario: Incluye los procesos de decantación, flotación, clarificación, filtración
simple y neutralización (Ojeda, 2015). En esta etapa se incluye la floculación y coagulación,
y su principal objetivo es eliminar los sólidos en suspensión.
Tratamiento biológico o secundario: Se caracteriza por el uso de microorganismos (bacterias
y protozoos) para remover los contaminantes del agua ya sea de manera aerobia o anaerobia,
su objetivo principal es eliminar la materia orgánica mediante un proceso biológico de
oxidación efectuado por los microorganismos presentes en el agua residual (López,2017)
Tratamiento terciario: Su principal objetivo es eliminar la carga orgánica y los nutrientes
(Ramalho,1996); dentro de los procesos se encuentran el intercambio iónico, la adsorción, la
micro y ultrafiltración, la ósmosis inversa, la desinfección, la oxidación avanzada y las
membranas.
Dentro de los métodos primarios de depuración de aguas, hay dos procesos usados, el
primero usando la tecnología convencional; esta incluye los procesos de coagulación,
floculación, decantación y filtración (Pradana, 2003). El segundo usando los métodos de
depuración natural; esta incluye los procesos mediante aplicación en el terreno y los
sistemas acuáticos, el efecto depurador en estos métodos naturales se debe a la acción de
la vegetación, el suelo y los microorganismos (terrestres y acuáticos) sin la intervención de
agentes artificiales como en los métodos convencionales (Moreno, 2003). Estos
procedimientos naturales se caracterizan, en general, por sus menores necesidades de
personal de operaciones, menor consumo energético y menor producción de fangos con
grandes cargas de otros residuos.
6.12. Coagulación química
Según Nemerow la coagulación química puede definirse como un “proceso unitario para
causar la coalescencia o agregación de material suspendido no sedimentable y partículas
coloides del agua residual”. (Nemerow, 1977). En este proceso se reducen las fuerzas que
repelen los coloides para formar partículas de mayor peso las cuales precipitan a través de
un proceso conocido como sedimentación.
Entre otros autores Resaltando al bioquímico Francis Edeline, la coagulación es el proceso
químico por el cual se añade un coagulante ya sea una sustancia química o natural al agua
con el objetivo de destruir la estabilidad de los coloides y promover su agregación.
Floculación: se denomina floculación al proceso físico de mezcla por medio del cual se
incrementa la posibilidad de choques entre partículas, por consiguiente, la formación del floc;
27
sin embargo, es común referirse a coagulación como el proceso de adición de coagulante,
mezcla rápida, floculación y sedimentación (Edeline, 1993).
Por otra parte así como establece Arboleda Valencia, J; en su libro La teoría y práctica de la
purificación del agua en el 2000, el proceso de coagulación consiste en la adición de
sustancias químicas al agua, su distribución uniforme en ella y la formación de un floc
fácilmente sedimentable; durante el proceso el agua se prepara para ser sedimentada,
durante este proceso se remueven otros factores tales como la turbiedad, color, bacterias,
algas y otros organismos planctónicos, fosfatos y sustancias productoras de olores y sabores.
La coagulación es el proceso más ampliamente usado para remover las sustancias que
producen turbiedad en el agua; las sustancias que producen turbiedad son a menudo
inorgánicas mientras que las que causan olor, sabor y otros, son generalmente orgánicos. En
la siguiente imagen, se resume el proceso de coagulación en el tratamiento de aguas
residuales:
Imagen 6.12. Proceso de coagulación química, adaptado de Chee Yang Teh, la bella Mori Budiman,
Katrina Pui Yee Shak y Ta Yeong Wu. Investigación en Química Industrial e Ingeniería 2016 55 (16),
4363-4389. DOI: 10.1021 / acs. iecr.5b04703
El entendimiento del mecanismo de la coagulación implica el conocimiento de las propiedades
de los coloides.
6.12.1. Coloides
Los coloides en general, son sólidos finamente divididos que no sedimentan por
simple acción de la gravedad, pero que pueden removerse del agua mediante
coagulación, filtración o acción biológica. (Romero, 1996).
Con base en su tamaño, los coloides han sido definidos como partículas cuyo diámetro
varían entre 1 y 100 nanómetros; dos propiedades únicas están asociadas a los
coloides, tales como: El movimiento browniano y área superficial extremadamente
grande. Estas dos propiedades permiten a los coloides desafiar la ley de la gravedad
y por lo tanto impiden su remoción por sedimentación simple. Debido a su inmensa
área superficial los coloides absorben iones en cantidades desiguales, dando origen
a la formación de una carga eléctrica que contribuyen a su estabilidad. El resultado de
la formación de esa carga eléctrica y del movimiento browniano en la colisión
constante entre partículas, la tasa de coagulación puede tomarse entonces como una
medida de la cantidad de partículas que se adhieren durante la colisión en un período
determinado. (Romero, 1996).
28
Dependiendo de su afinidad con el agua, los coloides se dividen en: hidrofóbicos,
aversión al agua e hidrofílicos, amantes del agua. Los coloides hidrofílicos tienen la
habilidad de reaccionar espontáneamente con el agua para formar suspensiones
coloidales, las cuales pueden ser deshidratadas y convertirlas en el material original
o dispersas repetidamente por ello se le llama coloides reversibles. Los coloides
hidrofóbicos, se obtienen generalmente por medios físicos o químicos, no se
dispersan espontáneamente en el agua y por eso se les llaman coloides irreversibles.
En la coagulación los coloides hidrofílicos reaccionan químicamente con el agua y con
los coagulantes; los hidrofóbicos no reaccionan con el agua y su coagulación se logra
predominantemente por reacciones físicas y no químicas. En los coloides hidrofílicos
la estabilidad se mantiene por la hidratación, pues las moléculas de agua son atraídas
a la superficie de las partículas y actúan como una barrera para el contacto entre ellas,
en los hidrofóbicos la estabilidad es predominante un efecto eléctrico, explicado por la
teoría de la doble capa, o sea, por la existencia de una carga opuesta envolvente a
dicha superficie en su forma más simple, la teoría establece que las partículas
hidrofóbicas suspendidas en el agua transportan cargas eléctricas en su superficie.
En aguas naturales dichas cargas son comúnmente negativas.
El grado de estabilidad de una partícula es determinado por un valor llamado potencial
zeta, el cual está relacionado con la carga de la partícula y la distancia a través de la
cual la carga es efectiva. El concepto de potencial zeta surge de la teoría de la doble
capa que se ilustra brevemente a continuación.
Las partículas coloidales se caracterizan por poseer dos capas eléctricas alrededor
de ellas, de las cuales derivan su estabilidad. La capa interna consiste tanto en
cationes como aniones, pero en general retiene una carga neta negativa. La capa
externa comprende cationes intercambiables tales como Na+, K+, Ca++, Mg++, H+, etc.
Tal como estableció Nemerow en el año 1977 la siguiente figura ilustra estas
condiciones:
Imagen 6.12.1. Potencial Zeta, comprensión de la teoría de la doble capa. Tomado de Cyril Gomella,
Henri Guerrée, Tratamiento de aguas para abastecimiento público, 1977.
29
El potencial zeta, se refiere al contorno entre el solvente adherido a la partícula en su
movimiento y el solvente que puede moverse con respecto a la partícula, dicho contorno plano
de corte es esencialmente la separación entre el agua de hidratación y el agua libre; en otras
palabras, el potencial Zeta es la medida en milivoltios de potencial eléctrico entre la carga fija
y la capa de iones de carga contraria que rodean al coloide. La ecuación de Helmholtz define
el potencial z como:
𝐿 = (4𝜋𝑆𝑞)/𝐷
Donde L= Potencial zeta
q= carga sobre la partícula o potencial de Nernst
D= constante dieléctrica del líquido
S= espesor de la zona de influencia de la carga sobre la partícula
La estabilidad de los coloides depende de la resultante de las fuerzas de atracción y repulsión
que actúan sobre ellos; las fuerzas de atracción llamadas fuerzas de Van der Waals son
causadas por la interacción de dipolos de las partículas, ya sean permanentes o inducidas.
Las fuerzas de repulsión son aquellas que mantienen la estabilidad del coloide en sistemas
coloidales hidrofóbicos que es el caso más común como establece Nemerow en su libro,
“Aguas residuales industriales, teorías aplicaciones y tratamiento; en el tratamiento de aguas
para consumo” donde se debe reducir la fuerza de repulsión de tal manera que las fuerzas
de atracción prevalezcan y se logre la colisión de partículas para formar agrupaciones que se
puedan remover fácilmente por gravedad. (Nemerow, 1977).
La disminución de la estabilidad de las partículas, o sea la reducción de las fuerzas de
repulsión o del potencial zeta, se logra básicamente por los siguientes mecanismos:
• ajustando el pH al punto isoeléctrico, esto es al pH para el cual la carga neta
de la partícula se anula y el potencial zeta se hace cero.
• añadiendo iones de carga eléctrica contraria a la de los coloides que se quiere
remover, por lo cual produce un doble efecto: primero, disminución de la carga
eléctrica neta del coloide con respecto al resto de la solución y, segundo,
aumento de la concentración de iones en la solución, reduciendo la distancia
a través de la cual la carga es más efectiva. Mientras mayor sea la valencia
del ion que se añade mayor será su poder de coagulación.
Según la ley de Schulze-Hardy, “La precipitación de un coloide es efectuada por aquel ion del
electrolito añadido que tenga una carga opuesta en signo a la de las partículas coloidales, y
el efecto de dicho ion se incrementa tanto más cuanto mayor sea el número de cargas que
posea”. Según Romero en el año 1996 las partículas coloidales y suspendidas que se
encuentran en la mayoría de las aguas superficiales naturales, están cargadas
negativamente; esto explica porque las sales de aluminio o hierro son las más usadas como
coagulante en ingeniería de tratamiento de aguas. (Romero, 1996)
30
6.12.2. Coagulantes
Los coagulantes se pueden clasificar en dos grupos: Los polielectrolitos o ayudantes de
coagulación y los metálicos. Un coagulante metálico es aquel compuesto de hierro, aluminio
u otros elementos con la capacidad de formar un floc, de esta manera pueden efectuar
coagulación al ser añadidos al agua.
Los coagulantes de origen metálico pueden clasificarse en dos subgrupos los cuales se
resumen en la siguiente tabla
Coagulante metálico Tipo
Aluminio sulfato de aluminio, cloruro de aluminio, aluminato de sodio,
clorhidrato de aluminio, policloruro de aluminio, sulfato de
cloruro de polialuminio, silicato de cloruro de polialuminio, y
formas de cloruro de polialuminio con polímeros inorgánicos.
Hierro sulfato férrico, sulfato ferroso, cloruro férrico, sulfato de cloruro
férrico, sulfato poliférrico, y sales de hierro con polímeros
orgánicos.
Tabla 6.12.2. Tipos de coagulantes metálicos, adaptado de Análisis de la influencia de dos materias
primas coagulantes en el aluminio residual del agua tratada por Murillo Diana. 2011
Este tipo de coagulantes es bastante popular debido a los bajos costos y accesibilidad para
adquirirlos; también, debido a la efectividad de estos para formar complejos con diferentes
cargas. La naturaleza de formación de estos complejos puede ser controlada por el pH del
sistema.
Por otra parte, se le conoce como ayudas de coagulación o polielectrolitos a aquellas
sustancias que producen poco o ningún floc al ser usada solas, pero mejoran los resultados
obtenidos con simples coagulantes (Aguilar, 2002). Estas sustancias son uniones de
monómeros enlazadas de manera covalente, las cuales poseen grados de polimerización
debido a las cadenas poliméricas. (Arboleda, 1992). Estos monómeros son capaces de formar
polímeros los cuales deben tener por lo menos dos núcleos activos para que la
macromolécula formada pueda conservar su configuración inicial. Cuando las cadenas
poliméricas tienen múltiples grupos funcionales activos se denominan polielectrolitos.
(Arboleda, 1992)
Hay que tener en cuenta como establece Arboleda en su texto Teoría de la coagulación del
agua que, es necesario observar que la velocidad de sedimentación de las partículas
coaguladas no depende en forma exclusiva de los coagulantes usados sino del peso de las
partículas que se trata de sedimentar. (Arboleda, 1992)
Este tipo de ayudas de coagulantes son usadas debido a la baja dosis que se usa y los
beneficios que trae, ya que una dosis baja, sedimenta grandes porciones de sólidos
sedimentables, aunque los costos de adquisición son elevados, la dosis beneficia el proceso.
Trabajos como estos han sido verificados en investigaciones en el Centro de Ingeniería
Sanitaria, Robert B. Taft, de Cincinatti, Estados Unidos.
Los ayudantes de coagulación o coagulantes polielectrolitos en el tratamiento de aguas se
pueden clasificar según su origen o su carga, en la siguiente tabla se resumen estos:
31
Origen Carga
Polímeros naturales
Iónicos
Catiónicos
Aniónicos
Polímeros sintéticos No iónicos
Tabla 6.12.2 Clasificación de los polielectrolitos, adaptado de Teoría de la coagulación del agua.
Arboleda J. 1992.
Existe una diferencia entre los coagulantes metálicos y los polielectrolitos, los primeros
poseen cadenas poliméricas que están ya formadas cuando se los agrega al agua. En los
segundos, la polimerización se inicia cuando se pone el coagulante en el agua, después de
lo cual viene la etapa de absorción por los coloides presentes en la fase acuosa, (Murillo
2011).
Existen otro tipo de polímeros y son los naturales, los cuales producen reacciones
bioquímicas naturales de animales y plantas, tales como proteínas, carbohidratos y
polisacáridos (almidón, glucósidos), estos han sido coagulantes empíricos que han usado
ancestros y tribus indígenas para clarificar el agua (Gurdián, 2012), han tenido poca
exploración y aún hay muchos procesos de investigación que corroboren su eficiencia con
respecto a los procesos de depuración sin embargo en varios estados del arte se han
compilado varios polímeros naturales con poder coagulante o floculante. Estos están
resumidos en la siguiente tabla, donde se puede observar de donde se extraen.
Nombre común Extracción Parte de donde se obtiene
Alginato de Sodio Algas pardas marinas (Phoeophiceae)
Toda la planta
Tuna Opuntia ficus indica Las hojas
Almidones Maíz El grano o el tubérculo
Papa
Yuca
Trigo
Semillas de nirmali Strychnos potatorun Las semillas
Algarrobo Quebracho, acacia o algarrobo Schinopsis Lorentzii
Corteza del árbol
Gelatina común Animales Residuos animales y huesos
32
Carboximetil celulosa Árboles Corteza de árbol
Moringa Oleífera Moringaceae Las hojas
Tabla 6.12.2. Resumen de polímeros naturales como coagulantes, adaptado de varios autores como
Campos 1980, Ridwan 2011, Arboleda 1992.
Este tipo de coagulantes, tiene varias ventajas ya que no altera las propiedades del agua
tratada (Olson, 2011) sin embargo se necesitan cantidades muy grandes cuando el agua
posee grandes concentraciones de turbidez, no logrando una remoción efectiva.
6.12.2.1. Sales de Aluminio
Sulfato de Aluminio
Es probablemente el coagulante más usado a lo largo de la historia y esto es debido al poder
de coagular tan efectivo que presenta, este compuesto se genera principalmente a partir de
la evaporación del agua del proceso de digestión de minerales de bauxita con ácido sulfúrico,
donde se obtienen dos productos de fórmula Al2 (SO4)3 y de composición diferente, entre
otras formas de obtención; los cuales se conocen como sulfato de aluminio tipo A y sulfato de
aluminio tipo B, se diferencian uno de otro por la composición, esta se puede observar en la
siguiente tabla.
Composición del Sulfato de Aluminio tipo A
Composición del Sulfato de Aluminio tipo B
Al2O3 mínimo 17.0% 16%
Hierro como Fe2O3, máx. 0.75%. 1.6 %
Materia insoluble, máx. 0.50% 5.0%
Tabla 6.12.2.1. Tabla de composición de sales de sulfato de aluminio.
Cabe resaltar que debido a la composición que presenta, el sulfato de aluminio tipo B es más
efectivo que el de tipo A, aunque los dos presentan resultados óptimos con respecto a otros
coagulantes inorgánicos.
Cuando se añaden soluciones de sulfato de aluminio al agua, las moléculas se disocian en
Al3+ y SO42- . El Al3+ puede combinarse con coloides cargados negativamente para neutralizar
parte de la carga de la partícula coloidal de la siguiente manera.
33
El Al3+ puede también combinarse con los OH- del agua para formar hidróxido de aluminio, de
la siguiente manera:
Al3+ + 3OH- ----> Al (OH)3 y, Al (OH)3 + iones positivos → [Al (OH)3]+
Este hidróxido de aluminio es de carácter coloidal, ya que absorbe iones positivos en solución
para formar un sol cargado positivamente. Dicho sol neutraliza la carga de los coloides
negativos y ayuda a completar la aglomeración. (Castrillón, 2012)
Varios autores como Castrillón en el 2012, afirman que producto de esta reacción se genera
generalmente un exceso de Hidróxido de aluminio en solución la cual precipita y se elimina
mediante los iones sulfato y otros iones negativos que presenta el agua de la siguiente
manera.
[𝐴𝑙(𝑂𝐻)3]+ + 𝑆𝑂4−2 → Al (OH)3 ↓ + sulfatos absorbidos
Los cationes metálicos de aluminio reaccionan una vez entran en contacto con el agua
formando iones e hidrógeno; los iones permanecen libres o combinados con otros cationes.
Con el aluminio ocurren las siguientes reacciones
𝐴𝑙+++ + 𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)++ + 𝐻+
𝐴𝑙+++ + 2𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)2+ + 2𝐻+
7𝐴𝑙+++ + 17𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙 7(𝑂𝐻)17+++ + 17𝐻+
𝐴𝑙+++ + 3𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 + 3𝐻+
Estos iones son absorbidos por el coloide (negativo) y neutralizan la carga de la reacción
logrando así la coagulación y precipitación.
Para evitar que se formen sustancias no deseadas, el sulfato de aluminio debe ser distribuido
de manera homogénea por toda el agua que se va a tratar, esto se puede lograr mediante la
mezcla rápida, de esta manera disminuye el tiempo de formación de otras sustancias no
deseadas y aumenta el contacto del coagulante.
Una vez lograda la floculación, donde se aglomeran los coloides de manera que llegan a
precipitarse, , una vez que sucede este proceso de aglomeración, crecen los flocs permitiendo
la clarificación del agua depurada, esta coagulación con sulfato de aluminio es más efectiva
cuando el pH de la solución se encuentra entre 5.5 y 8; varios autores establecen que si las
34
aguas a tratar no se encuentran en el pH óptimo se puede lograr adicionando cal viva, cal
apagada, carbonato de sosa, sosa cáustica. (Barraqué, 1979. Hernández, 1990. Zotter y
Licskó, 1992).
6.12.2.2. Sales de Hierro
Es otro coagulante ampliamente usado para proceso de coagulación, se obtiene mediante la
oxidación de pirita o al tratar el hierro con ácido sulfúrico, de este modo se obtienen varios
compuestos de hierro tales como sulfato férrico o sulfato ferroso; también pueden obtenerse
otros compuestos haciendo pasar cloro en forma gaseosa a través de hierro, en mayor
medida se forma el Cloruro férrico.
Recientemente se han sintetizado algunas sales polimerizadas como: sulfato poliférrico y
cloruro poliférrico (Jiang,1993).
Sulfato ferroso
Al adicionar el Sulfato ferroso al agua residual la molécula se disocia en Fe++ y SO4 2-. El Fe++
se combina con coloides cargados negativamente y neutralizar parte de la carga eléctrica de
la partícula coloidal, reduciendo así el potencial zeta a un valor en que la unión de las
partículas ocurre. El Fe++ se combina también con el OH- del agua y forma el Hidróxido
Ferroso. El SO4 2- reacciona con el Calcio presente en el agua precipitándose al fondo del
recipiente que contiene el agua residual. El Sulfato ferroso también reacciona con el cloro
residual del agua. Las siguientes reacciones se plantean a continuación:
Reacción del sulfato ferroso en contacto con la alcalinidad del agua
FeSO4 + Ca (HCO3)2 → Fe (OH)2 + CaSO4 ↓+ 2 CO2
Cabe resaltar que hay que tener cuidado en cuanto a la aireación del agua durante el proceso
de depuración, porque puede presentarse oxidación del hidróxido ferroso formándose el
hidróxido férrico el cual no es asimilable con las plantas; si el agua residual presenta carga
de hierro en forma férrica puede llegar a ocasionar afectaciones en la vegetación siendo
contaminante. Esta se observa de la siguiente manera:
2 Fe (OH)2 + 1/2O2 + H2O → 2 Fe (OH)3
Reacción con el cloro:
El sulfato ferroso reacciona con el cloro residual y el calcio que contiene el agua residual de
la siguiente manera:
2 FeSO4 + Cl2 + 3 Ca (HCO3)2 → 2 Fe (OH)3 + 2 CaSO4 ↓+ CaCl2 + 6 CO2
Sulfato férrico
Al adicionar el Sulfato férrico al agua residual esta se disocia en iones hierro y sulfato de la
siguiente manera:
Fe2(SO4)3 → 2 Fe3+ + 3 (SO4) 2-
Estos iones reaccionan con la alcalinidad del agua de la siguiente manera:
35
Fe2(SO4)3 + 3 Ca (HCO3)2 → 2 Fe (OH)3 + 3 CaSO4↓ + 6CO2
Cloruro férrico
La adición de cloruro férrico al agua produce una rápida oxidación del coagulante
(Barrenechea,2004), al entrar en contacto con el agua, se disocian sus iones y además
presenta interacciones con el cloro del agua residual y la alcalinidad de la siguiente manera:
Disociación del cloruro férrico
FeCl3 → Fe 3+ + 3Cl-
Con la alcalinidad del agua
2FeCl3 + 3Ca (HCO3)2 → 3CaCl2 + 2Fe (OH)3 + 6CO2
6.12.3. Ventajas y desventajas de los diferentes coagulantes
Todos los productos usados para los procesos de coagulación tienen tanto ventajas como
desventajas. A continuación, en la siguiente tabla se muestran algunas ventajas y desventajas
de los mencionados anteriormente:
Coagulante Ventajas Desventajas
Sales de aluminio y Sales de hierro
● Buena disponibilidad ● No es cuestionado su uso por el
Ministerio de Ambiente ● Los Residuos de Hierro son
beneficiosos para las plantas ● Sedimenta la mayor parte de
sólidos. ● Las sales de aluminio son más
efectivas cuando hay mayor contenido de compuestos carbonosos
● Buena disponibilidad ● Amplio intervalo de pH ● Las sales de hierro son más
efectivas cuando existe un contenido considerable de proteínas
● Eliminación del color aparente y verdadero
● Necesita un control del pH ● Los residuos de aluminio
son perjudiciales para el suelo
● el Rango de pH es corto ● Problemas con aguas de
alta turbiedad ● Necesita ayudas de
coagulación para flocular ● Alto contenido de aluminio
residual ● Incremento del consumo de
coadyuvantes para controlar el pH
● Requiere de personal para realizar el proceso
Tabla 6.12.2.2 Ventajas y desventajas de diferentes coagulantes inorgánicos, adaptado de José Díaz
en “Coagulantes-floculantes orgánicos e inorgánicos elaborados de plantas y de reciclaje de chatarra,
para el tratamiento de aguas contaminadas.2014
6.12.4. pH óptimo de coagulación
El pH es un factor muy importante en el proceso de coagulación, el pH influye en la
precipitación de los coloides, así como en el tiempo de floculación y la carga sobre las
36
partículas coloidales (Sanz, 2013) El pH óptimo para la remoción de coloides negativos varía
según la naturaleza del agua, pero usualmente cae entre pH 5.0 a
6.5. (Romero, 2009) sobre todo cuando se usan coagulantes metálicos cuya sensibilidad al
pH y a la alcalinidad es alta.
Cuando el pH no es óptimo, la coagulación es mínima o pobre y genera más residuos que
pueden generar otros problemas, valores por encima o por debajo producen malos resultados
(Arboleda, 2000), afirma el Docente Jairo Alberto Romero en su libro Calidad del agua que,
cuanto menor sea la dosis de coagulante, tanto mayor será la sensibilidad del flóculo a
cambios de pH. (Romero, 2009)
Para facilitar los procesos de coagulación se han estandarizado los valores óptimos de pH
para los coagulantes metálicos, estos se resumen en la siguiente tabla.
Coagulante pH óptimo de coagulación
Sulfato de aluminio entre 5 y 7,4
Cloruro Férrico entre 4,6 y mayor a 8
Sulfato ferroso alrededor de 9.5 a 12
Sulfato férrico entre 4-7 y mayor a 9
Tabla 6.12.4. Resumen de pH óptimo para algunos coagulantes, adaptado de Romero 2009, Arboleda
2000, Aguilar, 2002, entre otros.
6.13. Fases de la coagulación
En el proceso de coagulación ocurren consecutivamente cinco fases donde se observan
procesos tanto físicos como químicos, descritos a continuación:
37
Imagen 6.13. Fases de la coagulación, adaptación de Jorge Pérez en Manual de Potabilización del
agua. Trabajo realizado durante el año sabático. Universidad Nacional de Colombia, Seccional de
Medellín. 1986
Primera Fase: Menciona Arboleda en 1972 que, al adicionar el coagulante al agua este
reacciona con las moléculas del agua y puede producir la desestabilización de las partículas,
esto ocurre por simple adsorción específica de los productos de hidrólisis (generalmente con
carga positiva), proceso que ocurre en la doble capa que rodea a los coloides negativamente
cargados (compresión de la doble capa o neutralización de las cargas), o que puede ocurrir
por interacción química con los grupos ionizables de su superficie (Arboleda, 1972).
Fase dos: La formación de productos que se polimerizan ocurre debido a las reacciones de
la fase uno, estas cadenas o productos llegan a tener un extremo activo primordial en el
proceso para seguir reaccionando
Fase tres: Adsorción de las cadenas en suspensión, los extremos cargados se mantienen
Fase cuatro: Adhesión de los extremos por los coloides que tengan deficiencia de carga,
formando así masas esponjosas de partículas de la suspensión ligadas por cadenas
poliméricas
Fase cinco: Precipitación de los coágulos formados por un efecto de barrido (va recogiendo
otros coloides)
A continuación, un esquema que representa las cinco fases del proceso de coagulación
Imagen 6.13.1. Modelo esquemático de las fases de coagulación, tomado de: Teoría, diseño y control
de los procesos de clarificación del agua. Editorial CEPIS, 1972.
38
A estas etapas se suman otros procesos tales como la sedimentación y la filtración
Sedimentación
Según el Ingeniero Químico M. F. Edeline, Profesor de la Facultad de Ciencias Agronómicas
de Gembloux- Francia, la sedimentación es un procedimiento de separación sólido/líquido por
gravedad; se habla de Decantación cuando se espera obtener un líquido clarificado y de
sedimentación cuando se busca que el sólido separado se concentre, desde el punto de vista
de tratamiento de agua; estos dos conceptos pueden ser concebidos como uno solo ya que
la denominación depende del tipo de partículas a separar. Afirma Pérez en 1986 en el Manual
de Potabilización del agua que, sea cual fuere el origen de las partículas que se encuentran
inmersas en las aguas residuales, si llegan a ser más densas que el agua es mayor su
probabilidad de sedimentación gracias a los procesos de coagulación, dando como resultado
un fluido clarificado, y en el fondo de los tanques, una suspensión más concentrada que se
considera ha sido separada del mismo. (Pérez, 1986)
Filtración
La filtración es el proceso donde se hace remoción de aquellas partículas suspendidas y de
manera coloidal haciendo uso de medios porosos, para el caso del método convencional. La
velocidad de filtración o velocidad de flujo puede estar entre los 5 y 15 m/h (m3/m2/h) y se le
denomina filtración rápida. (Romero 1996)
Como lecho filtrante se utiliza comúnmente arena y carbón activado, aunque es costoso, pero
también pueden utilizarse, antracitas, zeolitas, textiles, etc. En los métodos naturales de
tratamiento de aguas residuales, pueden añadir filtros capaces de retener o absorber
diferentes residuos por ejemplo plantas o material de desecho orgánico. Un ejemplo de estos
usos es el artículo realizado en el año 2006 por Tomás Marín y Wilmaris Villarroel donde
evalúan un filtro a base de harina de tusa de maíz (Zea mays) y carbón vegetal para el
tratamiento de agua contaminada con petróleo.
La filtración rápida trata elevados volúmenes de agua, trabajando de manera intensiva, razón
por la cual los filtros usados deben ser cambiados o rehabilitados haciendo uso del proceso
de inyección de agua en dirección contraria conocido como retro lavado (López, 2017).
6.14. Mezcla rápida
Este proceso es realizado en la coagulación, de esta manera el coagulante que fue añadido
previamente se difunde a todas las áreas de manera rápida, se realiza de manera rápida para
evitar la formación de otros compuestos no deseados garantizando la disolución de este.
6.15. Factores que influyen en el proceso
Se ha mencionado anteriormente que la coagulación es un proceso muy importante en la
depuración de aguas residuales, ya que, al no hacerla de manera adecuada, los procesos
siguientes al tratamiento no tienen los resultados esperados perjudicando el proceso, los
costos y el medio ambiente.
Para obtener un proceso óptimo se deben tener en cuenta ciertas variables que son muy
importantes para el diseño y la operación del proceso, las principales son: (Pérez, 1986)
39
Imagen 6.15. Variables para el diseño y la operación del proceso de coagulación. Adaptado de Pérez,
J. 1986. Manual de Potabilización del agua. Trabajo realizado durante el año sabático. Medellín,
Colombia. Repositorio de la Universidad Nacional de Colombia.
6.16. Ensayos para el control del proceso de coagulación
6.16.1. Ensayo de Jarras
El ensayo de Jarras o Test Jar es el ensayo que constituye el método más sencillo para
evaluar el acondicionamiento químico y es el mismo que se usa para ensayos convencionales
de coagulación (Romero, 2004). Es de vital importancia considerando que cantidades muy
pequeñas de coagulante impiden la neutralización total de la carga del coloide por lo que la
formación de flóculos es mínima; mientras que dosis muy altas de coagulante invierten la
carga de las partículas coloidales haciendo que se formen gran cantidad de flóculos pequeños
que se tardan demasiado en sedimentar (Tafur & Quevedo, 2014).
Este ensayo tiene otros propósitos como seleccionar el coagulante más efectivo, determinar
el pH óptimo de coagulación, evaluar la dosis óptima, determinar el orden de adición de otros
productos químicos, determinación de los niveles óptimos de mezcla, gradiente de velocidad
y tiempo de mezcla, evaluación de la necesidad de proveer floculación y sedimentación previa
a la filtración o factibilidad de filtración directa (Servicio Nacional de Aprendizaje, 2000)
El equipo de jarras cuenta con una unidad de mezcla típica, que consiste en una serie de
agitadores de paletas acoplados mecánicamente para operar a la misma velocidad,
generalmente entre 10 a 300 RPM, y un cronómetro digital o gradual; dependiendo su
procedencia o fabricación puede tener acoplados sistemas para determinar inmediatamente
parámetros fisicoquímicos como temperatura, turbiedad y pH. Las jarras para realizar el
proceso de coagulación pueden ser rectangulares o redondas dependiendo el fabricante, lo
más importante a tener en cuenta es que deben ser de vidrio o acrílico transparente.
6.17. Diseño de experimentos
El diseño de experimentos según escribe Humberto Gutiérrez en su libro análisis y diseño de
experimentos, es la aplicación del método científico para generar conocimiento acerca de un
sistema o proceso, por medio de pruebas planeadas adecuadamente (Gutiérrez, H. 2008).
Este tipo de metodología se ha ido consolidando a través de los años como un conjunto de
técnicas estadísticas, que permiten entender mejor aquellas situaciones complejas de
relación causa-efecto.
40
En todo proceso intervienen distintos tipos de factores o variables, pueden llegar a ser
factores controlables o no controlables y causas que intervienen en el proceso; tal como se
observa en la siguiente imagen:
Imagen 6.17. Variables de un proceso de investigación. Adaptado de Análisis y diseño de
experimentos por Humberto Gutiérrez Pulido. 2008.
Una vez intervienen estos factores los resultados tendrán ciertas características o variables
de respuesta y efectos. El objetivo de muchos estudios experimentales es encontrar la forma
de mejorar la variable o las variables de respuesta.
Existen diferentes diseños experimentales, dependiendo de la investigación que se esté
realizando y los resultados que se pretenden obtener. Por ejemplo, existen diseños de
experimentos dedicados a:
• Comparar dos o más tratamientos, los cuales se dividen en: Diseño
completamente al azar, diseño de bloques completos al azar, diseño de
cuadrado latino o grecolatino.
• Estudiar el efecto de varios factores sobre una o más variables de respuesta,
los cuales se dividen en: Diseños factoriales 2k, 3k o Diseños factoriales
fraccionados 2k-p
• Optimizar procesos, los cuales se dividen en: Diseños para el modelo de
primer orden subdivididos en Diseños factoriales 2k y 2k – p, Diseño de Plakett-
Burman y Diseño simplex.
Diseños para el modelo de segundo orden, subdivididos en Diseño de
composición central Diseño de Box-Behnken Diseños factoriales 3k y 3k – p
• Diseños robustos divididos en: Arreglos ortogonales (diseños factoriales) y
Diseño con arreglos interno y externo.
• Diseños de mezclas divididos en: Diseño simplex-reticular, Diseño simplex con
centroide, Diseño con restricciones y Diseño axial
Diseños factoriales para estudiar el efecto de varios factores sobre una o más variables
Los diseños factoriales 2k consiste en k factores, todos con dos niveles de prueba y la familia
de diseños factoriales 3k consiste en k factores cada uno con tres niveles de prueba. Es claro
que, si los k factores no tienen la misma cantidad de niveles, debe escribirse el producto de
41
manera explícita; por ejemplo, con k = 3 factores, el primero con cuatro niveles y los dos
restantes con dos niveles, se tiene el diseño factorial 4 × 2 × 2 o 4 × 22.
6.17.1. Análisis estadístico por Tukey en ANOVA.
Se le conoce como método de la diferencia honestamente significativa de Tukey. Equivale a
utilizar el método de Student-Newman-Keuls con r = p, por tanto, todas las comparaciones se
refieren a una misma diferencia mínima, o sea utiliza un sólo valor con el cual se comparan
todos los posibles pares de medias. Numerosos autores coinciden en afirmar que la prueba
es apropiada para realizar comparaciones por pares, por lo que tiene una gran aceptación
(Atil y Uver, 2001). Es un método más conservador para comparar pares de medias de tratamientos (Ramírez &
Castillo 1985), el cual consiste en comparar las diferencias entre medias muestrales con el
valor crítico dado por:
Donde
CME es el cuadrado medio del error
n es el número de observaciones por tratamiento
k es el número de tratamientos
N – k es igual a los grados de libertad para el error
α es el nivel de significancia prefijado y el estadístico qα (k, N – k) son puntos porcentuales
de la distribución del rango
42
7. Metodología
El experimento se condujo mediante un diseño factorial para estudiar el efecto de varios
factores sobre una variable, con cinco tratamientos los resultados de las remociones de las
variables se compararon mediante un análisis de varianza y separación de medias a través
de la prueba de Tukey, utilizando el programa estadístico Infostat. Los resultados del resto de
las variables evaluadas tales como Temperatura, pH, y Turbidez, fueron presentados
mediante estadística descriptiva señalando los valores de tendencia central (media), su
dispersión (desviación estándar) y error absoluto (Eabs).
7.1. Descripción de los ensayos de coagulación
El estudio de los procesos de coagulación fue llevado a cabo en un Floculador FP4 Portable
Floculator de la marca VELP SCIENTIFICA. La selección de los coagulantes o coadyuvantes
inorgánicos y condiciones de operación se realizaron combinando la experimentación con
datos referentes al tratamiento químico de aguas residuales extraídos de la bibliografía,
donde se pudo observar que, estos coagulantes han sido estudiados y presentan buen.
(Antecedentes)
Los coagulantes escogidos fueron: Sulfato de Aluminio tipo B Al2(SO4)3, Cloruro Férrico
FeCl3, Sulfato ferroso FeSO4 y Sulfato férrico Fe2(SO4)3 suministrados por Roda químicos y
la Universidad Distrital.
Para mejorar el proceso de coagulación- floculación, a fin de conseguir mejores resultados,
se emplearon los siguientes estabilizadores de pH: Hidróxido de sodio en menor medida
NaOH y carbonato de calcio CaCO3
Las condiciones de operación fueron las siguientes:
• Velocidad de coagulación: 100 rpm
• Tiempo de coagulación: 1 minuto
• pH: 6,2 para Sulfato de Aluminio y Cloruro férrico, 11.3 para Sulfato ferroso y 5,4
para sulfato férrico.
• Velocidad de floculación: 20 rpm
• Tiempo de sedimentación: 20 minutos
Los métodos analíticos han sido extraídos y modificado de Guía de las prácticas de
Laboratorio de Fundamentos de Química, a cargo del Docente Jayerth Guerra Rodríguez,
Licenciado en Química. (Guerra, J. 2015) y del Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater, 19th edition.
Determinación de pH
Materiales
1. Agua residual debidamente almacenada
2. pH metro Hanna
3. Beacker
4. Agitador de vidrio
5. Frasco lavador
6. Agua destilada
43
La medición del pH se realiza haciendo uso de un pH-metro portátil HI 9126 que incluye la
función exclusiva Calibration Check™ de Hanna, junto con un electrodo marca Hanna, FC
B100 especialmente utilizado para el análisis de alimentos.
Se tomó el agua residual del sitio y se conservó en el material de plástico, Se llevó al
laboratorio y se midió el pH estableciendo así el pH inicial, luego se reservó a 4°C, y un día
después se vertió en un beacker de 250 ml, se agitó para homogenizar el agua y se midió el
pH con el equipo respectivo, este procedimiento fue realizado con anterioridad para cada
análisis.
A continuación, el protocolo de la práctica:
Esquema 1. Medición del pH
TURBIDEZ O TURBIEDAD DEL AGUA RESIDUAL
Materiales
Turbidímetro-M 1000 Scientific inc.
Celdas tapa rosca
Kit de calibración de 10 NTU, 100 NTU, 1000 NTU, Marca Procal.
Beacker de 100 ml
Agua Destilada
Agua residual preservada
Para el análisis de turbidez se utilizó un Turbidímetro- M100, marca Scientific inc. de
carácter Nefelométrico (anexo 2), el cual usa un lente de luz blanca, se calibró con las
soluciones del kit de calibración correspondiente a 10, 100 y 1000 NTU (anexo 3); una vez
calibrado el equipo se procedió a medir las muestras de agua por triplicado para determinar
los parámetros iniciales del agua residual, cuando la muestra de agua presentaba turbidez
superior a los 1000 NTU se realizó la dilución correspondiente, al finalizar se multiplicó por la
cantidad de veces que se diluyó. Este procedimiento se realizó para cada análisis de la misma
manera.
44
A continuación, el protocolo de la práctica:
Esquema 2. Medición de la turbidez del agua
Evaluación de la dosis óptima en el proceso de coagulación por ensayo de Jarras con
cuatro tipos de coagulantes
La simulación de la coagulación se realizó mediante el ensayo de prueba de jarras usando el
equipo FP4 Portable Floculator (anexo 4) de la marca VELP SCIENTIFICA, con diferentes
coagulantes.
Materiales
● Equipo de jarras FP4 Portable Floculator
● Balanza
● Turbidímetro TBDIR 1000 luz IR
● PH metro Hanna HI 9126
● Kit de turbidez
● Beacker de 1000 mL
● Espátula
● Churrusco
● Malla colador N° 140 con abertura en pulgadas 0.0041
Reactivos
● Sulfato de aluminio Al2 (SO4)3 tipo B
● Cloruro férrico FeCl3
● Sulfato ferroso FeSO4
● Sulfato férrico Fe2(SO4)3
● Agua residual a temperatura ambiente
Para comenzar el proceso de coagulación se debió realizar inicialmente la medición del pH,
la turbidez y la temperatura del agua residual a tratar, a partir de esto se tomó un litro de agua
por beacker dependiendo la cantidad de jarras disponibles en el equipo a trabajar en este
caso 4, para tener un orden, se realizó una tabla así se tuvo constancia de la cantidad de
45
coagulante que se le añadió al agua residual, la variación de estos, el cambio de pH y turbidez
final. Teniendo un total de cinco ensayos, cada uno con sus respectivos datos incluyendo el
porcentaje de remoción.
A continuación, se muestra un esquema del procedimiento realizado para la simulación de la
coagulación con Sulfato de Aluminio tipo B, Cloruro de Hierro (III), mezcla de Sulfato de
Aluminio y cloruro férrico, Sulfato férrico y Sulfato ferroso.
Esquema 3. Simulación de la coagulación
“Una vez determinado el coagulante óptimo, se evaluará el parámetro, grasas y aceites
en el agua residual y su correlación”.
7.2. Determinación de grasas y aceites
Determinación del contenido de grasas y aceites por extracción soxhlet Equipos Equipo de extracción Soxhlet Bomba de vacío Plancha de calentamiento Balanza analítica Horno de secamiento Desecador Cabina extractora de vapores orgánicos
46
Reactivos Ácido clorhídrico, HCl concentrado o Ácido sulfúrico, H2SO4 concentrado Hexano, C6H12, punto de ebullición 69ºC, libre de residuos. Suspensión para ayuda de filtración, tierra de diatomáceas, 10g/L. Agua residual
Materiales
Embudo Buchner Papel de filtro cuantitativo (Whatman N.º 40 o equivalente) Pinzas, metálicas. Frasco lavador. Vaso de precipitado de 50 mL Varilla de vidrio Tela muselina o parecida (Campbell, gasa) La determinación de grasas se realizó con un equipo soxhlet diseñado para la extracción de aceites esenciales de 250 ml, con balón fondo plano boca esmerilada y refrigerante de bolas 250 mm marca ABC Labs. Preparación del Blanco estándar
Blanco Se tomaron 100 ml de agua destilada y se acidificó con H2SO4 a pH < de 2, se realizó todo el procedimiento de análisis de grasas por extracción soxhlet
Procedimiento de análisis
Se instaló un equipo de filtración al vacío colocando el embudo büchner en un matraz Kitasato; seguido de esto, se preparó el filtro que consistía en un disco de tela cubierto con papel filtro humedecido y se presionó para asegurar un buen sellado; luego de esto se filtraron 100 ml de la solución de diatomeas y luego se lavó con tres porciones de agua destilada; se pasó por el vacío hasta que no pasará más agua a través del filtro. Se filtró la muestra del blanco junto con las soluciones aciduladas separadamente hasta que no pasará más agua; posteriormente utilizando unas pinzas se pasó el filtro a un vidrio de reloj se limpió el interior y la tapa del frasco que contenía la muestra y la parte interior del embudo büchner con trozos de papel filtro impregnado de solvente para remover cualquier capa de grasa o aceite. Se recogió todo el material (papel filtro y residuo) y se llevó a una cápsula de porcelana para secado, esto se llevó a cabo en un horno a 103°C por 30 minutos luego de esto se sacó del horno y se llevó el rollo al sifón del equipo soxhlet, limpiando la cápsula donde se secó con un papel impregnado de hexano; este papel también fue llevado al sifón. El proceso se llevó a cabo a una temperatura de 60°C, con una velocidad de 20 ciclos/hora durante cuatro horas a partir del primer ciclo, luego se destiló el disolvente mediante una destilación simple entre 56-58°C, una vez terminada la destilación, se hizo pasar aire a través de la muestra aplicando vacío durante un minuto. Se enfrió en desecador durante 30 minutos; finalmente se pesó el matraz y se comparó con el ensayo del blanco según la siguiente fórmula:
Pf = peso final del matraz de extracción, g. Pi = peso inicial del matraz de extracción, g.
47
V = Volumen de muestra, mL A continuación, el protocolo de la práctica
48
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
8.1. Coagulación
La coagulación es el proceso donde ocurre la desestabilización de la carga eléctrica de las
partículas que producen turbiedad, esta desestabilización es producida por los coagulantes,
sales inorgánicas en este caso, que gracias a sus características químicas, entran en contacto
con el agua residual y desestabilizan las partículas cargadas; por medio de una reacción
química precipitan generando un floc o masa, gracias a las fuerzas de Wander Wals que
generaron adherencia de partículas y lograron sedimentarse debido a su tamaño. Cada
desestabilización de carga es diferente a otra a causa del uso de diferentes coagulantes, esto
se puede observar en los siguientes resultados obtenidos durante el proceso.
Mecanismos
Para los ensayos mecánicos de coagulación se estableció un tipo de mezcla a diferentes
revoluciones por minuto en un determinado tiempo, estos datos se encuentran consignados
a continuación:
Tipo de mezcla RPM Tiempo (minutos)
Lenta 20 1
Rápida 100 15
Dosis
49
Para los ensayos de coagulación se establecieron diferentes dosis de coagulantes;
comenzando con 200 ppm hasta los 1000 ppm, intentando tener una uniformidad entre esta
para posteriores comparaciones. Sin embargo, esta uniformidad se vio afectada por la calidad
del floc, aglomeración y sedimentación durante el proceso, motivo por el cual se modificó este
factor con algunos coagulantes.
pH
Para lograr una buena coagulación y sedimentación, el pH del agua residual fue modificado
siendo este entre 5 y 7,4 para el Sulfato de Aluminio, entre 4,6 y mayor a 8 para el Cloruro
férrico, alrededor de 9.5 a 12 para el Sulfato ferroso y entre 4-7 y mayor a 9 para el Sulfato
férrico. Un pH diferente afectará el proceso aumentando la dosis de coagulante. (Romero,
2009).
A continuación, los resultados obtenidos durante los ensayos con cada coagulante, los
valores obtenidos corresponden a la turbiedad, pH y temperatura.
A. Sulfato de aluminio tipo B (anexo 5)
Fórmula molecular
Composición
química
Peso molecular
Densidad
Pureza
Costo
Al2(SO4)3
Al2O3 mínimo 17.0%
Hierro como Fe2O3, máx. 0.75%
Materia insoluble, máx. 0.50%
Basicidad mínimo 0.05%
342.15 g/mol
2,672 g/cm3
59%
COP 2.650/Kg
Se ajustaron los parámetros fundamentales tales como pH, turbidez y temperatura para
comenzar el proceso de coagulación, a continuación, una tabla que recopila la información
básica necesaria que se tuvo para el control del coagulante con respecto a la dosis
suministrada:
Tabla: Sulfato de Aluminio tipo B
pH inicial del agua 4,5
pH corregido 6,2
Turbidez inicial 2664 NTU
Temperatura inicial 19°C
50
A continuación, el ensayo que se realizó con respecto a la turbidez y la dosis suministrada, a
estos valores se les determinó el promedio de turbidez, la desviación estándar, el error
absoluto y la varianza entre muestras:
Comportamiento de la turbiedad con respecto a la dosis
Sulfato de Aluminio
Dosis ppm Turbidez NTU X Valor real S CV S2
Muestra 1
200 47,5 49,2 48,4
48,37
48,4
0,85
0,02
0,72
Error
absoluto 1,0182 0,0173 0,9993
Muestra 2
400 30,2 29,7 30
29,97
30,0
0,25
0,01
0,06
Error
absoluto 0,992 1,009 0,999
Muestra 3
600 31,4 31,7 31,9
31,67
31,7
0,25
0,01
0,06
Error
absoluto 1,008 0,999 0,993
Muestra 4
800 125 123 124
124,00
124,0
1,00
0,01
1,00
Error
absoluto 0,99 1,01 1,00
Muestra 5
1000 50,3 53,1 50,3
51,23
51,2
1,62
0,03
2,61
Error
absoluto 1,019 0,965 1,019
Comportamiento del pH
A continuación, se presenta el comportamiento del pH durante el ensayo de jarras:
Valores de pH con Sulfato de Aluminio
muestra pH X Valor real S CV S2
1 4,6 4,8 4,7
4,7
4,7
0,0200
0,0043
0,0100
Error
absoluto 1,02 0,98 1,00
2 4,4 4,33 4,35
4,36
4,36
0,0026
0,0006
0,0013
Error
absoluto 0,99 1,01 1,00
3 4,3 4,26 4,25
4,27
4,27
0,0014
0,0003
0,0007
Error
absoluto 0,993 1,002 1,005
51
4 4,2 4,28 4,3
4,26
4,26
0,0056
0,0013
0,0028
Error
absoluto 1,014 0,995 0,991
5 4,36 4,37 4,38
4,37
4,37
0,0002
0,0000
0,0001
Error
absoluto 1,002 1,000 0,998
Temperatura
A continuación, se presenta el comportamiento de la temperatura durante el ensayo de jarras:
Valores de Temperatura con Sulfato de Aluminio
muestra Temperatura X Valor real S CV S2
1 20 20 20
20
20,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
2 20 19 20
20
19,7
0,667
0,034
0,333
Error
absoluto 0,98 1,04 0,98
3 20 20 20
20
20,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 1,000 1,000 1,000
4 20 20 19
20
19,7
0,667
0,034
0,333
Error
absoluto 0,983 0,983 1,035
5 19 20 19
19
19,3
0,667
0,034
0,333
Error
absoluto 1,018 0,967 1,018
Porcentaje de remoción
A continuación, se presenta el porcentaje de remoción de la Turbidez obtenido durante el
ensayo:
Porcentaje de Remoción de la Turbidez con Sulfato de Aluminio
Muestra % de remoción X Valor real S CV S2
1 98,217 98,153 98,183
98,18
98,2
0,002
0,000
0,001
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
2 98,866 98,885 98,874
98,88
98,9
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
52
3 98,821 98,810 98,803
98,81
98,8
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 1,000 1,000 1,000
4 95,308 95,383 95,345
95,35
95,3
0,003
0,000
0,001
Error
absoluto 1,000 1,000 1,000
5 98,112 98,007 98,112
98,08
98,1
0,007
0,000
0,004
Error
absoluto 1,000 1,001 1,000
En este ensayo con Sulfato de Aluminio se determinó que todas las dosis (200 ppm, 400 ppm,
600 ppm, 800 ppm y 1000 ppm) presentan buenos niveles de remoción de la turbiedad
cercanas al 100%.
B. Cloruro de Hierro III, cloruro férrico (Anexo 6)
Fórmula molecular Peso molecular Densidad Costo
FeCl3 162,2 g/mol 2,9 g/cm3
COP 10.200/Kg
A continuación, se evidencian los parámetros fundamentales tales como: pH, turbidez y
temperatura para comenzar el proceso de coagulación, en la siguiente tabla se recopila la
información básica necesaria para tener control del coagulante con respecto a la dosis
suministrada:
Tabla Cloruro de Hierro III, Cloruro férrico (FeCl3)
pH inicial del agua 4,5
pH corregido 6,2
Turbidez inicial 2664 NTU
Temperatura inicial 19°C
A continuación, el ensayo que se realizó con respecto a la turbidez y la dosis suministrada, a
estos valores se les determinó el promedio de turbidez, la desviación, el error absoluto y la
varianza entre muestras:
Comportamiento de la Turbiedad con respecto a la dosis
Cloruro férrico
Dosis ppm Turbidez NTU X Valor real S CV S2
53
Muestra 1 200 120,000 122,500 120,600
121,03
121,03
1,31
0,01 1,70
Error absoluto 1,009 0,988 1,004
Muestra 2 400 644,500 645,000 642,500
644,00
644,00
1,32
0,00
1,75
Error absoluto 0,188 0,188 0,188
Muestra 3 600 443,200 442,000 441,700
442,30
442,30
0,79
0,00 0,63
Error absoluto 0,273 0,274 0,274
Muestra 4 800 1037,700 1038,190 1038,230
1038,04
1038,04
0,30
0,00
0,09
Error absoluto 0,117 0,117 0,117
Muestra 5 1000 1095,000 1098,000 1098,500
1097,17
1097,17
1,89
0,00 3,58
Error absoluto 0,111 0,110 0,110
Comportamiento del pH
A continuación, se presenta el comportamiento del pH durante el ensayo de jarras:
Valores de pH con Cloruro férrico
Muestra pH X Valor real S CV S2
1 4,08 4,13 4,04
4,083
4,083
0,004
0,0010
0,0020
Error
absoluto 1,15 1,14 1,16
2 3,36 3,37 3,38
3,370
3,370
0,000
0,0001
0,0001
Error
absoluto 1,30 1,29 1,29
3 3,34 3,36 3,33
3,343
3,343
0,000
0,0001
0,0002
Error
absoluto 1,278 1,271 1,282
4 3,26 3,24 3,25
3,25
3,25
0,0002
0,0001
0,0001
Error
absoluto 1,307 1,315 1,311
5 3,2 3,09 3,25
3,18
3,18
0,0134
0,0042
0,0067
Error
absoluto 1,366 1,414 1,345
Comportamiento de la temperatura
A continuación, se presenta el comportamiento de la temperatura durante el ensayo:
54
Valores de Temperatura con Cloruro férrico
Muestra Temperatura X Valor real S CV S2
1 21 21 21
21
21,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 0,95 0,95 0,95
2 21 21 21
21
21,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 0,94 0,94 0,94
3 20 21,5 22
21
21,2
2,167
0,102
1,083
Error
absoluto 1,000 0,930 0,909
4 21 21 21
21
21,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 0,937 0,937 0,937
5 20 21 21
21
20,7
0,667
0,032
0,333
Error
absoluto 0,967 0,921 0,921
Porcentaje de remoción de la turbiedad
A continuación, se presenta el porcentaje de remoción de la turbiedad obtenido durante el
ensayo de jarras:
Valores de Remoción con Cloruro férrico
Muestra % de remoción X Valor real S CV S2
1 95,495 95,402 95,473
95,46
95,5
0,005
0,000
0,002
Error
absoluto 1,03 1,03 1,03
2 75,807 75,788 75,882
75,83
75,8
0,005
0,000
0,002
Error
absoluto 1,30 1,30 1,30
3 83,363 83,408 83,420
83,40
83,4
0,002
0,000
0,001
Error
absoluto 1,185 1,185 1,185
4 61,047 61,029 61,027
61,03
61,0
0,000
0,000
0,000
Error
absoluto 1,562 1,562 1,562
5 58,896 58,784 58,765
58,82
58,8
0,010
0,000
0,005
Error
absoluto 1,665 1,668 1,669
En este ensayo con Cloruro férrico se determinó que las dosis 1 y 3 presentan mejores
porcentajes de remoción de la turbiedad entre el 80% y el 96%
55
C. Ensayo de dosis óptima en el proceso de coagulación usando la mezcla de
dos coagulantes, Sulfato de Aluminio y el Cloruro férrico (Anexo 7)
El agua residual que se usó para este procedimiento tenía un pH inicial de 4,3, para lograr
una coagulación adecuada entre los dos coagulantes el fabricante recomienda tener aguas
con pH entre 6-9; por lo cual se adicionaron dos gotas de NaOH concentrado por cada litro
de agua residual.
También, el agua presentó una turbidez inicial de 2664 NTU, cabe resaltar que la cantidad de
agua que se debe recolectar para hacer este análisis superó los 15 litros, por lo cual se
recolectó agua de un día diferente al analizado, presentando esta una turbidez de 1472 NTU
y un pH de 4,7; también se adicionaron dos gotas de NaOH para subir el pH, estableciendo
para los dos tipos de agua un pH de 6,2.
Cabe resaltar que este es un ensayo para observar la dosis óptima de coagulante y que el
NaOH se usó como recurso a la mano, en caso de que se seleccionen estos dos tipos de
coagulantes, se debe suministrar otro tipo de estabilizante de pH más económico y que
favorezca los costos de depuración
En este ensayo se varió la dosis de coagulante, debido a la cantidad de combinaciones que
se podían hacer y las cuales eran necesarias para observar posibles cambios en la calidad
del floc, sedimentación y aglomeración.
Los valores necesarios para lograr la coagulación están consignados en la tabla inferior, tales
como pH, turbidez y temperatura:
Tabla valores necesarios para coagulación
pH inicial del agua 4.5
pH corregido 6,2
Turbidez inicial 2664 NTU 1472 NTU
Temperatura inicial 19°C
A continuación, el ensayo que se realizó con respecto a la turbidez y la dosis suministrada, a
estos valores se les determinó el promedio de turbidez, la desviación estándar, el error
absoluto y la varianza entre muestras.
Comportamiento de la turbiedad con respecto a la dosis
La siguiente tabla muestra el comportamiento de la Turbidez durante la fase experimental, las
dosis de los coagulantes son Sulfato de Aluminio y Cloruro férrico respectivamente, se
escriben de esa manera para observar mejor las diferencias entre ensayos:
Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico
Dosis ppm Turbidez NTU X Valor real S CV S2
1:1 200 + 200 120,30 119,80 120,20 120,10 120,10 0,26 0,00 0,07
56
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:1 400 + 400 475,40 472,80 473,80 474,00
474,00
1,31
0,00
1,72
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:1 600 + 600 2081,60 2082,70 2081,90 2082,07
2082,07
0,57
0,00
0,32
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:1 800 + 800 1220,40 1219,80 1219,80 1220,00
1220,00
0,35
0,00
0,12
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:1 1000+1000 1267,20 1260,60 1265,00 1264,27
1264,27
3,36
0,00
11,29
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:5 200 + 1000 1505,00 1498,00 1498,00 1500,33
1500,33
4,04
0,00
16,33
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
1:2 400 + 800 244,80 247,30 246,00 246,03
246,03
1,25
0,01
1,56
Error absoluto 1,01 0,99 1,00
4:1 800 + 200 668,00 663,00 667,00 666,00
666,00
2,65
0,00
7,00
Error absoluto 1,00 1,00 1,00
5:1 1000 + 200 33,50 31,70 29,50 31,57
31,57
2,00
0,06
4,01
Error absoluto 0,94 1,00 1,07
1:4 200 + 800 107,00 105,00 103,00 105,00
105,00
2,00
0,02
4,00
Error absoluto 0,98 1,00 1,02
3:2 600 + 400 183,00 185,00 190,00 186,00
186,00
3,61
0,02
13,00
Error absoluto 1,02 1,01 0,98
2:3 400 + 600 522,00 530,00 517,00 523,00
523,00
6,56
0,01
43,00
Error absoluto 1,00 0,99 1,01
Comportamiento del pH
A continuación, se muestra el comportamiento que tuvo el pH durante el proceso:
Valores de pH con Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico
muestra pH X Valor real S CV S2
1 3,58 3,67 3,60
3,62
3,62
0,05
0,01
0,00
Error
absoluto 1,01 0,99 1,00
2 3,58 3,58 3,58
3,58
3,58
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
3 3,40 3,46 3,50 3,45
3,45
0,05
0,01
0,00
Error 1,02 1,00 0,99
57
absoluto
4 3,31 3,34 3,30
3,32
3,32
0,02
0,01
0,00
Error
absoluto 1,00 0,99 1,01
5 3,20 3,10 3,15
3,15
3,15
0,05
0,02
0,00
Error
absoluto 0,98 1,02 1,00
6 3,23 3,25 3,21
3,23
3,23
0,02
0,01
0,00
Error
absoluto 1,00 0,99 1,01
7 3,45 3,46 3,62
3,51
3,51
0,10
0,03
0,01
Error
absoluto 1,02 1,01 0,97
8 4,00 3,90 3,93
3,94
3,94
0,05
0,01
0,00
Error
absoluto 0,99 1,01 1,00
9 3,91 3,96 3,95
3,94
3,94
0,03
0,01
0,00
Error
absoluto 1,01 0,99 1,00
10 3,49 3,44 3,49
3,47
3,47
0,03
0,01
0,00
Error
absoluto 1,00 1,01 0,995
11 3,74 3,70 3,77
3,74
3,74
0,04
0,01
0,00
Error
absoluto 1,00 1,01 0,99
12 3,2 3,45 4,0
3,55
4
0,41
0,12
0,17
Error
absoluto 1,11 1,03 0,89
Comportamiento de la Temperatura
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos de la temperatura durante la fase
experimental:
Valores de Temperatura con Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico
muestra Temperatura X Valor real S CV S2
1 25 25 25
25,00
25,00
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
2 25 25 24
24,67
24,67
0,58 0,02
0,33
Error
absoluto 0,99 0,99 1,03
3 24 24 24 24,00 24,00 0,00 0,00 0,00
58
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
4 24 24 24
24,00
24,00
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
5 25 23 24
24,00
24,00
1,00
0,04
1,00
Error
absoluto 0,96 1,04 1,00
6 23 24 24
23,67
23,67
0,58
0,02
0,33
Error
absoluto 1,03 0,99 0,99
7 24,00 24,00 24,00
24,00
24,00
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
8 24,00 25,00 24,00
24,33
24,33
0,58
0,02
0,33
Error
absoluto 1,01 0,97 1,01
9 25,00 25,00 25,00
25,00
25,00
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
10 24,00 24,00 24,00
24,00
24,00
0,00
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,000
11 24,00 25,00 25,00
24,67
24,67
0,58
0,02
0,33
Error
absoluto 1,03 0,99 0,99
12 24 24,00 24,0 24,00
24
0,00
0,00
0,00
Error 1,00 1,00 1,00
Porcentaje de remoción
A continuación, en la siguiente tabla se presenta el porcentaje de remoción de la Turbidez
obtenido durante el ensayo:
Porcentaje de remoción con Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico
muestra % de Remoción X Valor real S CV S2
1 95,48 95,50 95,49
95,49
95,49
0,01
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
2 82,15 82,25 82,21
82,21
82,21
0,05
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
3 21,86 21,82 21,85 21,84 21,84 0,02 0,00 0,00
59
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
4 54,19 54,21 54,21
54,20
54,20
0,01
0,00
0,00
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
5 52,43 52,68 52,52
52,54
52,54
0,13
0,00
0,02
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
6 43,51 43,77 43,77
43,68
43,68
0,15
0,00
0,02
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
7 83,37 83,20 83,29
83,29
83,29
0,08
0,00
0,01
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
8 54,62 54,96 54,69
54,76
54,76
0,18
0,00
0,03
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
9 97,72 97,85 98,00
97,86
97,86
0,14
0,00
0,02
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
10 92,73 92,87 93,00
92,87
92,87
0,14
0,00
0,02
Error
absoluto 1,00 1,00 0,999
11 87,57 87,43 87,09
87,36
87,36
0,24
0,00
0,06
Error
absoluto 1,00 1,00 1,00
12 64,54 63,99 64,88 64,47
64
0,45
0,01
0,20
Error 1,00 1,01 0,99
En este ensayo con dos coagulantes, sulfato de aluminio y cloruro férrico se determinó que
las dosis 1, 9 y 10 (200 ppm de sulfato de aluminio y 200 ppm de cloruro férrico. 1000 ppm
de sulfato de aluminio y 200 ppm de cloruro férrico. 200 ppm de sulfato de aluminio y 800
ppm de cloruro férrico) presentan mejores resultados con respecto a la remoción de la
turbiedad entre 92% y 98%
D. Sulfato ferroso o sulfato de hierro (II) (Anexo 8)
Durante este ensayo, se evidenció que el sulfato ferroso no presentaba una buena reacción
en el agua dificultando la aglomeración y sedimentación de la turbiedad, es de resaltar que
las dosis fueron muy superiores a las dosis que se usaron con otros coagulantes, esto es
debido a que el floc generado por el coagulante sulfato ferroso (anexo 8) no presentaba
buenas características.
Fórmula molecular Peso molecular
FeSO4 151.908 g/mol
60
Densidad Costos
2,84 g/cm3
COP 7.300/Kg
A continuación, se evidencian los parámetros fundamentales tales como: pH, turbidez y
temperatura, para comenzar el proceso de coagulación, en la siguiente tabla se recopila la
información básica necesaria para tener control del coagulante con respecto a la dosis
suministrada.
Tabla Sulfato ferroso FeSO4
pH inicial del agua 5.6
pH corregido 11.3
Turbidez inicial NTU 2196
Temperatura inicial (c°) 15.0
A continuación, el ensayo que se realizó con respecto a la dosis suministrada y los valores
finales reportados como pH, turbidez, temperatura y porcentaje de remoción, a cada resultado
se le determinó el promedio, desviación estándar, coeficiente de varianza, varianza y error
absoluto.
Comportamiento de la turbidez con respecto a la dosis
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos con respecto a la turbidez durante el
ensayo con sulfato ferroso.
Sulfato ferroso
Dosis ppm Turbidez NTU X Valor real S CV S2
Muestra 1
200 No presentó sedimentación
Muestra 2
400
No presentó sedimentación
Muestra 3
600
No presentó sedimentación
Muestra 4
800
No presentó sedimentación
Muestra 5
1000
No presentó sedimentación
Muestra 6
2000
No presentó sedimentación
Muestra 7
4000 1956 1974 1950
1960
1961,33
12,49
0,01
156,00
Error
absoluto 1,00 0,99 1,01
Muestra 8
6000 1013 1009 1008
1010
1009,00
2,65
0,00
7,00
61
Error
absoluto 0,996 1,000 1,001
Muestra 9
m8000 100 106 109
105
106,67
4,58
0,04
21,00
Error
absoluto 1,067 1,006 0,979
Muestra 10
10000 98 96,7 99
97,9
97,87
1,15
0,01
1,33
Error
absoluto 0,999 1,012 0,989
.
Comportamiento del pH
Debido a que no se presentó sedimentación en las muestras 1 al 6, los resultados siguientes
corresponden a las muestras 7 al 10. En la siguiente tabla están los resultados obtenidos del
comportamiento del pH durante el proceso:
Valores de pH con Sulfato ferroso
Muestra pH X Valor real S CV S2
7 10 9,8 10,5
10,1
10,13
0,36
0,04
0,13
Error
absoluto 1,01 1,03 0,97
8 8,5 9 8,9
8,8
8,90
0,26
0,03
0,07
Error
absoluto 1,047 0,989 1,000
9 7,9 8,1 7,7
7,9
7,90
0,20
0,03
0,04
Error
absoluto 1,000 0,975 1,026
10 7,3 7,7 7,5
7,5
7,57
0,20
0,03
0,04
Error
absoluto 1,037 0,983 1,009
Comportamiento de la temperatura
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos con respecto a la temperatura durante
el ensayo
Valores de la temperatura con Sulfato ferroso
Muestra Temperatura X Valor real S CV S2
7 17 16,6 16,2
16,6
16,47
0,40
0,02
0,16
Error
absoluto 0,97 0,99 1,02
8 16,8 16 16,2
16,33
16,18
0,42
0,03
0,17
Error
absoluto 0,963 1,011 0,999
62
9 16 16,5 16,4
16,3
16,40
0,26
0,02
0,07
Error
absoluto 1,025 0,994 1,000
10 16,4 16,3 16,2
16,3
16,27
0,10
0,01
0,01
Error
absoluto 0,992 0,998 1,004
Porcentaje de remoción
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos son respecto al porcentaje de
remoción con el Sulfato ferroso
Porcentaje de remoción con Sulfato ferroso
Muestra % de Remoción X Valor real S CV S2
7 10,929 10,109 11,202
10,747
10,69
0,57
0,05
0,32
Error
absoluto 0,98 1,06 0,95
8 53,871 54,053 54,098
54,01
54,05
0,12
0,00
0,01
Error
absoluto 1,003 1,000 0,999
9 95,446 95,173 95,036
95,219
95,14
0,21
0,00
0,04
Error
absoluto 0,997 1,000 1,001
10 95,537 95,597 95,492
95,542
95,54
0,05
0,00
0,00
Error
absoluto 1,000 0,999 1,001
En el ensayo con sulfato ferroso se determinó que las dosis 9 y 10 (8000 ppm y 1000 ppm)
presentan mejores resultados con respecto a la disminución de la turbiedad con un porcentaje
del 95%.
E. Sulfato Férrico o sulfato de hierro III (Anexo 9)
Durante este ensayo, se evidenció que el sulfato férrico no presentaba una buena reacción
en el agua dificultando la aglomeración y sedimentación de la turbiedad, es de resaltar que
las dosis fueron muy superiores a las dosis que se usaron con otros coagulantes, esto es
debido a que el floc generado por el coagulante sulfato férrico (anexo 9) no presentaba
buenas características.
Fórmula molecular Peso molecular Densidad Costo
Fe2(SO4)3
399.88 g/mol 3.1 g/cm3
COP 12.000/Kg
A continuación, se evidencian los parámetros fundamentales tales como pH, turbidez y
temperatura para comenzar el proceso de coagulación, en la siguiente tabla se recopila la
63
información básica necesaria para tener control del coagulante con respecto a la dosis
suministrada:
pH inicial del agua 5.4
pH corregido no se realizó corrección
Turbidez inicial 2485 NTU
Temperatura inicial 14.5°C
Comportamiento de la turbidez con respecto a la dosis
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos para el comportamiento de la turbidez
con respecto a la dosis suministrada de sulfato férrico
Cabe resaltar que, en este ensayo se usaron dosis muy altas debido a la nula aglomeración
y sedimentación con sulfato férrico (anexo 9)
Sulfato férrico
Dosis ppm Turbidez NTU X Valor real S CV S2
Muestra 1
200 No presentó sedimentación
Muestra 2
400 No presentó sedimentación
Muestra 3
2000 758 776,8 775,3
770,03
770,03
10,45
0,01
109,16
Error
absoluto 1,016 0,991 0,993
Muestra 4
4000 824 819 826
823
823
3,606
0,004
13,000
Error
absoluto 0,999 1,005 0,996
Muestra 5
10000 336 347 335
339,333
339,333
6,658
0,020
44,333
Error
absoluto 1,010 0,978 1,013
Muestra 6
60000 145 151 143
146,333
146,333
4,163
0,028
17,333
Error
absoluto 1,009 0,969 1,023
Comportamiento del pH
En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos con respecto al pH durante la
experimentación con sulfato férrico, debido a que no se presentó sedimentación en las
muestras 1 y 2 estos valores no se encuentran consignados en la tabla y en los resultados
posteriores:
64
Valores de pH con Sulfato férrico
muestra pH X Valor real S CV S2
3 5,1 4,7 4,9
4,90
4,90
0,20
0,04
0,04
error
absoluto 0,961 1,043 1,000
4 4,5 4,5 3,9
4,3
4,3
0,346
0,081
0,120
error
absoluto 0,956 0,956 1,103
5 5,1 5 4,9
5,0
5,0
0,100
0,020
0,010
Error
absoluto 0,980 1,000 1,020
6 4,4 3,6 4
4,0
4,0
0,400
0,100
0,160
Error
absoluto 0,909 1,111 1,000
Comportamiento de la temperatura
La siguiente tabla muestra los valores obtenidos con respecto a la temperatura:
Valores de temperatura con Sulfato férrico
muestra Temperatura X Valor real S CV S2
3 17 16,2 16,6
16,60
16,60
0,40
0,02
0,16
error
absoluto 0,976 1,025 1,000
4 16,3 16,4 16,2
16,3
16,3
0,100
0,006
0,010
error
absoluto 1,000 0,994 1,006
5 16,2 16,2 16,4
16,3
16,3
0,115
0,007
0,013
Error
absoluto 1,004 1,004 0,992
6 16 16,3 16,2
16,2
16,2
0,153
0,009
0,023
Error
absoluto 1,010 0,992 0,998
Porcentaje de remoción de la Turbiedad
En la siguiente tabla se muestran los valores del porcentaje de remoción durante la
experimentación con sulfato férrico:
Porcentaje de remoción con Sulfato férrico
muestra % de Remoción X Valor real S CV S2
3 69,497 68,740 68,801 69,01 69,01 0,42 0,01 0,18
65
Error
absoluto 0,993 1,004 1,003
4 66,841 67,042 66,761
66,881
66,881
0,145
0,002
0,021
Error
absoluto 1,001 0,998 1,002
5 86,479 86,036 86,519
86,3
86,3
0,268
0,003
0,072
Error
absoluto 0,998 1,004 0,998
6 94,16 93,92 94,25
94,1
94,1
0,168
0,002
0,028
Error
absoluto 0,999 1,002 0,999
En el ensayo con sulfato férrico se determinó que las dosis 5 y 6 (10000 ppm y 60000 ppm)
presentan mejores resultados con respecto a la disminución de la turbiedad con valores entre
el 85% y 95 %.
8.2. Diseño experimental para coagulación
Con el fin de optimizar el número de experimentos y el tiempo de realización de los mismos,
se utilizó un método de diseño de experimentos, el método seleccionado fue el de superficie
respuesta. Este método se basa en el principio de que el efecto sobre un resultado
experimental provocado por la combinación de varias variables puede ser previsto por los
resultados obtenidos con experimentos realizados con valores extremos de estas variables.
Así, realizando los experimentos a los valores mínimos y máximos de las variables de interés,
los resultados experimentales generan modelos matemáticos con los que se podrán prever
los resultados de los experimentos con valores intermedios de las variables de estudio.
Para un diseño experimental con 3 variables (pH, dosis de coagulante y turbiedad), el número
de experimentos a realizar se varió entre coagulantes. Para cada experimento debe
considerarse un triplicado para la validación del resultado, así que el número total de
experimentos a realizar fue:
Coagulante Variables Número de experimentos
Replicas Número total de experimentos
Sulfato de Aluminio 3 5 3 15
Cloruro Férrico 3 5 3 15
Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico
3 12 3 36
Sulfato ferroso 3 10 3 30
Sulfato férrico 3 6 3 12
El modelo matemático lineal generado según el método de superficie respuesta, tiene la
siguiente forma:
άy: Es el valor de respuesta del experimento, por ejemplo, el valor de la remoción de la
turbiedad después del tratamiento.
a0 hasta a7: Constantes obtenidas por la resolución matricial del modelo.
X1 hasta X3: Son las variables de estudio en el diseño de experimentos.
66
De acuerdo con el plan de diseño experimental deben seleccionarse las variables de interés
y asignárseles los valores máximos y mínimos correspondientes. Para la coagulación-
floculación se seleccionaron como variables el pH, A1, la dosis de coagulante, A2, y la
turbiedad A3. El número total de experimentos a realizar para la coagulación es igual a 108.
Resultados del diseño experimental
Los experimentos de coagulación fueron realizados con base en el diseño de experimentos
presentados en resultados experimentales. En los siguientes histogramas se representan los
resultados obtenidos, para los ensayos con los diferentes coagulantes evaluados, del pH y la
turbiedad.
0
2
4
6
8
0 200 400 600 800 1000
Dosis (ppm)
Comportamiento del pH con Al2(SO4)3
1
2
30
50100150200250300
0(fd,10)
200 400 600 800 1000
Dosis (ppm)
Comportamiento de la Turbiedad con Al2(SO4)3
1
2
3
0
1
2
3
4
5
0 200 400 600 800
Dosis (ppm)
Comportamiento del pH con FeCl3
1
2
30
200400600800
100012001400
0(fd,2)
200 400 600 800 1000
Dosis (ppm)
Comportamiento de la turbiedad con FeCl3
1
2
3
0
2
4
6
8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Dosis (ppm)
Comportamiento del pH con Al2(SO4)3 + FeCl3
1
2
3 0
1000
2000
3000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Dosis (ppm)
Comportamiento de la Turbiedad con Al2(SO4)3 +
FeCl3
1
2
3
4
5
67
Explicación de la disminución del pH
Estas figuras permiten observar que, todos los coagulantes presentan una disminución leve
del pH a medida que se aumenta la dosis de coagulante debido a que los coagulantes usados
son sales inorgánicas ácidas las cuales disminuyen el pH del agua, por esta razón y
dependiendo del agua a tratar es necesario agregar un estabilizante del pH una vez finalice
el proceso.
Explicación de la disminución de la turbiedad
En estas figuras se puede observar que la turbiedad varía entre coagulantes a medida que
se aumenta o disminuye su dosis, esto es debido a la interacción que ocurre entre el
coagulante y el agua residual la cual se puede controlar con la velocidad de agitación. Cada
coagulante dependiendo de su poder desestabilizante, forma una red dispersa que atrapa las
pequeñas partículas que se encuentran disueltas en el agua residual, las aglomera, las
sedimenta, precipita o terminan sobrenadando en el recipiente.
Para que se forme una red efectiva, debe encontrarse un equilibrio entre el pH, la temperatura
y la cantidad de dosis de coagulante, lo cual se observa en los resultados. Cuando se
encuentra el equilibrio entre estos factores, la coagulación resulta efectiva; cuando uno de los
factores se ve alterado, por ejemplo, la dosis, la turbiedad se ve afectada, es por esto que las
gráficas presentan estas características (bajadas y subidas). La temperatura también afecta
la hidrólisis y por ende la producción de complejos cargados, los cuales son esenciales para
02468
1012
0 4000 6000 8000 10000
Dosis (ppm)
Comportamiento del pH con FeSO4
1
2
3 0
500
1000
1500
2000
2500
0 4000 6000 8000 10000
Dosis (ppm)
Comportamiento de la turbiedad con FeSO4
1
2
3
0
1
2
3
4
5
6
0 2000 4000 10000 60000
Dosis (ppm)
Comportamiento del pH con Fe2(SO4)3
1
2
3 0200400600800
100012001400
0 (fd,2) 2000 4000 10000 60000
Dosis (ppm)
Comportamiento de la turbiedad con Fe2(SO4)3
1
2
3
68
la coagulación; razón por la cual se pretendió mantener la temperatura ambiente en el
proceso.
Debido a las similitudes que se encuentran entre los resultados de la remoción de la turbiedad
con cada coagulante es recomendable realizar un análisis estadístico de varianza que permita
observar si existen diferencias estadísticamente significativas entre los resultados; en caso
contrario que no existan diferencias significativas entre los resultados se infiere que cualquier
dosis de coagulante es óptima para el sistema, desde el punto de vista del análisis estadístico.
Para esto se usó el método de Tukey en ANOVA haciendo uso del software libre Infostat.
Análisis estadístico de medias Tukey
Este análisis estadístico permite evidenciar si existen diferencias estadísticamente
significativas entre los resultados, este proceso se realizó en los resultados de turbiedad de
cada coagulante, y no entre coagulantes ya que las dosis no fueron homogéneas.
Si bien se podría decir que el coagulante que presentó mejores resultados fue a simple vista
el sulfato de aluminio, estos datos deben validarse mediante el diseño experimental.
Para realizar el análisis estadístico se establecieron dos hipótesis:
Hipótesis nula
Ho= Ningún tratamiento tiene diferencias estadísticamente significativas con un nivel de
confianza entre el 90% y el 95%
Hipótesis uno
H1= Al menos un tratamiento no tiene diferencias estadísticamente significativas con un nivel
de confianza entre el 90% y el 95%
A continuación, los resultados obtenidos en un diseño factorial con dos factores para cada
coagulante con respecto a:
- Dosis – turbiedad
- Dosis- porcentaje de remoción
- Dosis - pH
69
PARA SULFATO DE ALUMINIO
DOSIS. TURBIEDAD
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS La turbiedad 2 y 3 no son significativamente diferentes, es decir que pueden usarse las dos dosis y no hay cambios significativos en cuanto a la turbiedad. También se observa que estas dos dosis presentan los mejores valores de turbidez.
70
DOSIS.PORCENTAJE DE REMOCIÓN
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95%
ANALISIS La dosis 2 y 3 no son significativamente diferentes, por ende, corroborado con la turbiedad, las dos dosis pueden usarse y no existen diferencias en los resultados
71
DOSIS. PH
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS Las dosis 2,3,4,5 no presentan diferencias significativas por lo tanto pueden ser usadas, el pH no se ve afectado por el aumento de la dosis
72
PARA CLORURO FÉRRICO
DISEÑO FACTORIAL CON DOS FACTORES DOSIS. TURBIEDAD
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% Sin embargo, todas las dosis van a presentar resultados significativamente diferentes, lo cual no es óptimo para el sistema
73
DOSIS. PORCENTAJE DE REMOCIÓN
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95%. Sin embargo, se observa que, hay diferencias significativas en todos los valores, cualquier adición del coagulante presenta resultados estadísticamente diferentes, lo cual no es óptimo.
74
DOSIS. PH
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS Las dosis 2,3- 3,4 y 4,5 no muestran diferencias en cuanto al pH significativas, por lo tanto, si se adiciona sea la dosis 2 o 3, 2, 3 o 4, 4 o 5 no habrá diferencias entre los resultados, pero no quiere decir que puede usar la dosis 2,5 o 2,4 porque los valores si serán diferentes estadísticamente
75
DOS COAGULANTES
Con estos resultados estadísticos se amplió el nivel de confianza de 95% al 90% debido a que con niveles del 95% los resultados no presentaron semejanzas entre estos.
DOSIS. TURBIEDAD
Con un p valor menor a 0,10 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 90% Sin embargo, hay muchas diferencias significativas entre los resultados, siendo la dosis 9 la que presenta menores valores de turbiedad
76
DOSIS. PORCENTAJE DE REMOCIÓN
Con un p valor menor a 0,10 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 90% ANALISIS No hay diferencias significativas en los porcentajes de remoción de la turbidez en la dosis 9, 1, 10. Siendo los mejores resultados con un nivel de confianza del 90%. Tampoco hay diferencias significativas entre los porcentajes de remoción 1, 10, 11. Entre 10, 11, 7. También entre 11, 7, 2. Igualmente entre 8,4,5. Y finalmente entre 5,6.
77
DOSIS. PH
Con un p valor menor a 0,10 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 90% ANALISIS No hay diferencias significativas en cuanto al pH cuando se adicionan diferentes dosis de los dos coagulantes; hay semejanzas entre los pH 8,9, 11, 1. Hay semejanzas entre los pH 11, 1,2, 12, 7, 10, 3. Hay semejanzas entre los pH 1, 2, 12, 7, 10, 3. Hay semejanzas entre los pH 12, 7, 10, 3, 4, 6. Hay semejanzas entre los pH 10, 3, 4, 6, 5. Siendo el mejor pH en la dosis 8 y 9 los cuales corresponden a una concentración de 1000 ppm y 300 ppm Con los resultados obtenidos la mejor dosis para usar, donde se observa un buen porcentaje de remoción y menos alteraciones en el pH es la dosis 9.
78
SULFATO FERROSO
DISEÑO FACTORIAL CON DOS FACTORES DOSIS. TURBIEDAD
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS No hay diferencias significativas entre la turbiedad 3 y 4 por lo tanto cualquiera de las dos dosis que se aplique va a presentar resultados similares
79
DOSIS. PORCENTAJE DE REMOCIÓN
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS No hay diferencias significativas entre los porcentajes de remoción 4 y 3 por lo tanto cualquiera de las dos dosis se puede usar.
80
DOSIS. PH
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS No hay diferencias significativas entre los pH 3 y 4 aunque presenta alta disminución del pH Con los resultados obtenidos, se determina que se pueden usar las dosis 3 o 4 ya que presentan correlación entre los resultados obtenidos de pH y remoción de la turbiedad sin embargo hay una disminución elevada en el pH.
81
SULFATO FÉRRICO
DISEÑO FACTORIAL CON DOS FACTORES DOSIS. TURBIEDAD
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% Sin embargo, no hay semejanzas entre los valores obtenidos de turbiedad, sin embargo, la dosis 4 es la que presenta menor turbidez
82
DOSIS. PORCENTAJE DE REMOCIÓN
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% Sin embargo, no hay semejanzas entre los valores obtenidos, es decir cualquier dosis presentará valores muy diferentes, sin embargo, el mejor porcentaje de remoción se observó en la dosis 4.
83
DOSIS. PH
Con un p valor menor a 0,05 se rechaza la hipótesis nula, determinando que: existe al menos un tratamiento que no tiene diferencias significativas con un nivel de confianza del 95% ANALISIS No hay diferencias significativas entre los pH 3, 1, 2 y entre los pH 2,4. Presentando mejores resultados en dosis 3 y 1. Con los resultados obtenidos se determina que la dosis 3 es la que presenta mejores resultados de turbidez y pH.
84
Coagulante óptimo
Habiendo analizado cada uno de los coagulantes mediante el uso de análisis de variables
semejantes, se llegó a determinar que hay tres coagulantes óptimos para el tratamiento,
Sulfato de Aluminio, Sulfato de Aluminio + Cloruro férrico y Sulfato férrico; ya que presentaron
mejores porcentajes de remoción de la turbidez, para seleccionar el coagulante óptimo se
deben hablar de otras variables, tales como: los costos de tratamiento.
El costo del tratamiento es, generalmente, el factor más importante para la selección de un
coagulante y se calcula como el costo de las cantidades de coagulante y acondicionador de
pH empleados por volumen (m3) de agua tratada (Martínez, S. Rodríguez, M. 2005). El estudio
comparativo de costos de tratamientos usando distintos coagulantes debe tomar en
consideración el costo global del tratamiento y no solamente el costo unitario de cada reactivo;
se deben considerar adicionalmente la dosis de coagulante y el costo del acondicionador de
pH. En la siguiente tabla se muestran los coagulantes frente a costos y beneficios, estos
valores han sido tomados a partir de una cotización por ABC laboratorios (anexo 10):
Coagulante Costo Kg
Dosis ppm
Promedio pH
Observación
Sulfato de aluminio
$2.650 200 4,7 Menor cantidad de coagulante, mejor promedio de pH
400 4,3 Mejor remoción de la turbiedad
600 4,27 Mayor caída de pH
1000 4,37 Mayor cantidad de coagulante
Sulfato de aluminio y Cloruro férrico
$12.850 200 +200 3,62 Menor cantidad de coagulante, mayor caída de pH
1000+ 2000
3,94 Menor caída de pH
Sulfato ferroso
$7.300 8000 7,9 Menor caída de pH, menor cantidad de coagulante con mejores resultados de remoción
10000 7,5 Mayor caída de pH, mayor cantidad de coagulante
Cabe resaltar que, hubo que adicionar estabilizante de pH al iniciar el proceso, por ende, se usó Carbonato de calcio CaCO3, o Hidróxido de sodio NaOH (entre 0,2 y 0,5 gramos por litro de agua) con un costo adicional de:
- $1500/ Kg de CaCO3
- $4500/Kg de NaOH
Frente al análisis realizado, se propone usar Sulfato de aluminio con una dosis de 400 ppm
para el tratamiento, ya que presenta buenos resultados de remoción de la turbidez, menores
85
caídas de pH y los costos adicionales de tratamiento son los menores frente a los otros
coagulantes usados en el ensayo ya que se usaría 0,4 Kg/m3 de coagulante y 0,2 Kg/m3 de
estabilizante de pH carbonato de calcio.
Si la heladería desecha en promedio unos 100 litros de agua al día producto de lavado de
equipos, neveras y demás; el tratamiento tendría un costo total de $136.000 COP. Un costo
bajo con respecto a los demás coagulantes debido a la dosis y los beneficios que trae consigo.
8.3. Grasas y aceites
Una vez determinado que el sulfato de Aluminio es el mejor coagulante por costos y beneficios
en cuanto al porcentaje de remoción de la turbidez para el agua residual de la heladería, se
pasó a evaluar el comportamiento de las grasas y aceites haciendo uso de este coagulante.
Los resultados están consignados en la siguiente tabla:
Detalle Contenido de grasas (mg/L)
Contenido de grasas finales (mg/L)
% de remoción de grasas
% Eabs
Agua 1 2380 850 64,29 -1,30
Agua 2 5320 1980 62,78 1,07
Agua 3 2420 780 67,77 -6,79
Agua 4 3670 1504,4 59,01 7,02
PROMEDIO 63,46
DESV ESTANDAR 3,63
COEFICIENTE DE VARIACION 0,06
VARIANZA 13,17
La disminución del contenido de grasas en el agua residual producto de la adición de Sulfato
de Aluminio es debida a las características químicas de este coagulante, ya que es más
efectivo para producir la coagulación cuando el agua residual contiene vertidos con
compuestos proteínicos. (Nemerow, N. 1998.)
86
9. CONCLUSIONES
1. Mediante la tabulación y las gráficas se pudo concluir que existen variaciones del
comportamiento del pH, turbiedad y Temperatura dependiendo de la dosis de cada
coagulante en el ensayo de jarras.
2. Utilizando el método de Tukey se pudo evidenciar estadísticamente, la existencia o no
de diferencias significativas entre los porcentajes de remoción de la turbidez de cada
coagulante, determinando que existen tres coagulantes óptimos para el tratamiento.
3. El sulfato de Aluminio fue el coagulante más efectivo para la remoción de turbidez
para las aguas residuales tratadas en este estudio con una dosis óptima de 400 ppm
y una disminución del 98% (±0.1) de la carga. El coagulante que genera esta condición
sería útil de estudiar para su aplicación para su aplicación en los procesos de
depuración de aguas residuales, dada la buena remoción de turbiedad y los costos
demostrados.
87
10. RECOMENDACIONES
Se recomienda efectuar análisis de metales residuales y otros parámetros con el fin de
evaluar todos los parámetros de aguas residuales.
Los coagulantes Sulfato férrico y una mezcla de Sulfato de aluminio y cloruro férrico fueron
ligeramente más eficientes para la reducción de la turbiedad. Este tipo de coagulantes podrían
optimizar el proceso, evaluando los rangos de pH que favorezcan una mejor coagulación.
El coagulante sulfato ferroso no presenta un óptimo desempeño en dosis bajas durante el
proceso, se recomienda evaluar los rangos de pH que favorezcan mejor la coagulación.
Se recomienda adicionar conjuntamente con el coagulante óptimo (sulfato de aluminio)
diferentes ayudantes de coagulación para observar posibles mejoras del porcentaje de
remoción de turbiedad.
88
11. REFERENCIAS
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93
12. ANEXOS
ANEXO 1.
Medidor de pH (Hanna Instruments)
Tomado de Hanna Instruments. https://lp.hannacolombia.com
ANEXO 2.
Turbidímetro
Tomado de: https://pim-resources.coleparmer.com/catalog-page/yv14-1062.pdf
94
ANEXO 3.
Kit de Calibración Procal
Tomado de: http://media.wattswater.com/ES-HF-M100-Plus_es-MX.pdf
ANEXO 4.
Floculador FP4
Tomado de: https://www.velp.com/es/productos/lines/2/family/32/floculadores/37/fp4
95
ANEXO 5.
Coagulación con Sulfato de Aluminio
96
ANEXO 6
Coagulación con Cloruro férrico
97
ANEXO 7
Coagulación con Sulfato de Aluminio y Cloruro férrico
98
ANEXO 8
Coagulación con Sulfato ferroso
99
ANEXO 9
Coagulación con Sulfato férrico
100
Anexo 10.
Cotización de coagulantes
