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FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS PROGRAMA ACADÉMICO INGENIERÍA AMBIENTAL INFORME DE LABORATORIO PROFUNDIZACIÓN II - PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 2023
ENSAYO DE JARRAS PARA LA
DOSIFICACIÓN ÓPTIMA EN EL
PROCESO DE COAGULACIÓN Y
FLOCULACIÓN EN EL
TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DEL RÍO MAGDALENA
– EMBARCADERO, CUNDINAMARCA
Caicedo, J. y Galeano, E.^1 Doc. Avella, A.^2
Introducción
Tal como lo indica Tafur & Quevedo, 2014, las aguas residuales son flujos de agua con impurezas procedentes de vertidos de diferentes orígenes, domésticos e industriales, tanto como de las precipitaciones, y que son recolectadas en los sistemas de alcantarillado o vertidas directamente al ambiente. Las cuales se encuentran compuestas por diversas sustancias, sólidos suspendidos y sedimentables orgánicos e inorgánicos generando una alteración en sus propiedades fisicoquímicas y microbiológicas.
Por lo cual deben ser tratadas mediante operaciones y procesos unitarios que depuran estas sustancias contaminantes antes de ser vertidas a los cuerpos de agua más cercanos. Para lograr estos propósitos se deben considerar las características, la calidad del afluente y los costos tanto de construcción como de operación del sistema. La mejor alternativa de tratamiento se selecciona con base en el estudio individual de cada caso, de acuerdo con las eficiencias de remoción requeridas y con los costos de cada una de las posibles soluciones técnicas (Romero Rojas, 2004).
Como primera medida de tratamiento se realiza la eliminación de sólidos de gran tamaño por medio de operaciones como desbaste, tamizado, desarenador y trampa de grasas, posteriormente pasa a una etapa de tratamiento primario en donde se lleva a cabo los procesos de coagulación y floculación, con el fin de eliminar los sólidos en suspensión.
Una manera de determinar la concentración optima que se debe suministrar en el agua para optimizar el proceso de sedimentación es el test de jarras, el cual es un sistema que permite simular los procesos de coagulación, floculación y decantación con diferentes dosis
(^1) Estudiantes programa académico de Ingeniería Ambiental, Universidad de Cundinamarca, seccional Girardot.
de coagulante permitiendo lograr mejores eficiencias en la eliminación de sólidos sedimentables y coloidales.
El proceso de coagulación consiste en la adición de coagulantes químicos y adición de fuerzas de agitación para desestabilizar las partículas a tal punto de neutralizar sus cargas para obtener una mayor atracción entre estas que mediante la aglomeración aumenten su tamaño permitiendo además remover la turbiedad orgánica e inorgánica, el color aparente y verdadero. Como bien se sabe estas partículas contaminantes presentan una carga negativa la cual genera una fuerza de repulsión entre ellas, que las mantiene en suspensión en el agua sin lograr ser decantadas; el fenómeno de desestabilización de dichas partículas o coagulación, se realiza mediante la adición de coloides de carga opuesta a la de las partículas contaminantes, que neutralizan la carga, reduciendo la repulsión de las partículas a tal punto, que chocando con cierta velocidad pueden unirse y flocular. (Restrepo, 2009).
De forma general los coagulantes se clasifican en tres tipos (Tafur & Quevedo, 2014):
Coagulantes a base de sales metálicas: Son los usados de forma convencional en los procesos de tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales. Dentro de los coagulantes de este tipo se encuentran los compuestos a base de sales de hierro y aluminio. (Tafur & Quevedo, 2014)
Coagulantes a base de polímeros sintéticos: Estos compuestos tienen alto peso molecular y aumentan la viscosidad de la solución; se utilizan como productos complementarios de los coagulantes a base de sales metálicas en la neutralización de partículas coloidales. (Tafur & Quevedo, 2014)
Coagulantes de origen natural: Son coagulantes alternativos, derivados de productos orgánicos que pueden presentar rendimientos iguales o superiores a los de los coagulantes convencionales, dentro de este tipo de coagulantes se encuentran los almidones y polisacáridos naturales como la celulosa, las semillas de moringa (Duran, Roa, (Coronel, & Alvarado, 2017), las plantas de cardón guajiro (Dearmas Duarte & Ramírez Hernández, 2015) y el quitosano. (Tafur & Quevedo, 2014).
(^2) Docente tiempo completo, programa académico de Ingeniería Ambiental Universidad de Cundinamarca seccional Girardot.
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Luego de esta mezcla rápida, se procede a disminuir la agitación a una más lenta con el fin de permitir la formación de flocs, en donde el choque de las partículas de microflóculos hace que se unan para producir flóculos más grandes y visibles.
Posteriormente la mezcla se deja reposar para que los flocs se decanten por acción de la fuerza de la gravedad y así ocurra una separación de los sólidos y el agua, permitiendo la salida de un agua más clarificada.
Para el desarrollo de este ensayo de jarras se tuvo en cuenta variables como pH, turbiedad, agitación y mezcla, debido a que son parámetros que influyen directamente en la concentración de coagulante agregar.
Objetivo: Determinar la concentración requerida del coagulante de sulfato de aluminio para lograr resultados óptimos.
Palabras clave: Coagulación, floculación, test de jarras, agua residual.
Metodología
En primer lugar se resalta los elementos utilizados para el test de jarras, en este caso se implementó: turbidímetro, pHmetro, probetas de 50 mL, pipetas de 10 mL, vasos de Griffin de 1000 mL, estufa industrial, vidrio de reloj, balanza digital, sulfato de aluminio (coagulante), paletas de agitación, perilla de ajustes de RPM, sistema de iluminación, agua destilada, embudo, filtro de membrana, bomba de vació con vaso Erlenmeyer, agitador magnético y un matraz aforado.
Inicialmente se adquiere la muestra de un cuerpo de agua superficial en este caso del río Magdalena, Girardot - Cundinamarca, del cual se toman aproximadamente 40 L de agua que son envasados en recipientes previamente purgados 3, que luego son trasladados al laboratorio de la Universidad de Cundinamarca, seccional Girardot.
En el laboratorio se toman 1000 mL de agua destilada y se agrega al matraz aforado, seguidamente se le añade 10 mg de Sulfato de Aluminio, al obtener esta solución se procede a ajustarse en un mezclador magnético con el fin de homogenizar la mezcla de agua destilada y sulfato de aluminio, dándole el nombre de solución madre.
A partir de lo anterior, se dispone agua cruda en 14 vasos de Griffin donde la cantidad de agua
cruda agregar es de 1000 mL en los primeros siete vasos de Griffin, posteriormente el agua cruda agregada es de 990 mL, 980 mL, 960 mL, 950 mL, 940 mL y por último 920 mL, estos se colocan sobre el dispositivo que hará la respectiva agitación a diferentes concentraciones de coagulante Sulfato de aluminio (Al₂(SO₄)₃). La paleta agitadora inicia a 120 rpm, generando una especie de vórtice en el agua cruda, inmediatamente se le agrega disoluciones de la muestra madre a concentraciones de 0,5 mL, 1 mL, 2 mL, 4 mL, 5 mL, 6 mL, 8 mL, 10 mL, 20 mL, 40 mL, 50 mL, 60 mL, 80 mL, esta mezcla rápida tiene una duración de 1 min, posteriormente se deja a una agitación de 40 rpm por 20 minutos, este proceso se le determina agitación lenta, acabado los 20 minutos se deja en reposo el agua a tratar durante 30 minutos, generando la decantación de los flóculos formados.
Terminado el proceso anteriormente mencionado, se retira el recipiente y se pipetea 20 mL de la muestra en un recipiente aparte para medir el pH y esta misma muestra pasa un turbidímetro.
Como último paso se agrega un filtro por membrana a una bomba de vació, y se le agrega los 20 mL anteriormente mencionados, al momento de filtrar el agua se retira el filtro y se dispone en una porcelana para llevarlo a la estufa industrial a 105° C las 14 muestras durante 2 horas, para medir solidos suspendidos.
Resultados y discusión
El sulfato de aluminio (Al 2 (SO 4 ) 3 ) al ser aplicado en los vasos de Griffin durante el proceso de mezclado tiende a disminuir el pH y la alcalinidad presente en el agua dado que es consumida por la acidez, esto varia debido a la concentración a la que es aplicada esta solución de sulfato de aluminio.
Como resultado final del ensayo de jarras se observa en los datos que la turbiedad disminuye por el reactivo Al 2 (SO 4 ) 3 dado que actúa como desestabilizador de las partículas coloidales neutralizando sus cargas permitiendo la aglomeración entre estas y posteriormente por la ley de Stocks se van a decantar estos sólidos clarificando el agua, en este aspecto la turbidez va asociada con los sólidos suspendidos totales. En el caso de las 14 muestras analizadas dos están correctamente tomadas afectando los resultados obtenidos debido a que presentan un peso final menor al peso inicial de la membrana filtrante, aun así durante
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Tabla 3. Datos de eficiencia de remoción de Turbiedad.
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
De acuerdo al resultado de los Sólidos Suspendidos Totales (SST) se puede observar que a mayor concentración de coagulante se obtienen menos SST, dado que en la concentración de 0,005 da un valor de 130 SST y para el caso de la concentración de 0,05 da como resultante 50 SST.
Análisis económico
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 = 0,06 ∗ 9000 = 594
En este caso un gramo de sulfato de aluminio tiene un costo de $594 peso colombiano siendo ante todo la concentración más eficiente y con un costo bajo para el funcionamiento de este proceso.
Conclusiones
Al momento de manipular las muestras puede ser un factor determinante al realizar la caracterización debida. El factor del tiempo para cada proceso debe ser medidamente cuidadoso dado que esto puede intervenir en generar errores en la dosificación óptima, toma de parámetros como pH o turbiedad y en el pesaje de sólidos.
La temperatura es una variable imprescindible debido a que puede afectar la decantación de sólidos, ya que la estufa puede oxidar los sólidos orgánicos presentes generando datos erróneos.
La dosificación del coagulante genera diferentes procesos, en caso de presentarse una sobredosificación los coloides no se aglutinaran, al mismo tiempo que si la dosis es baja no habrá una desestabilización adecuada de los SST.
Bibliografía
Romero Rojas, J. A. (2004). Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principios de diseño. Bogotá: Escuela colombiana de ingeniería.
Restrepo, H. (2009). Evaluación de proceso de Coagulación- Floculación de una planta de tratamiento de agua potable. (U. N. Colombia, Ed.). http://www.bdigital.unal.edu.co/877/1/ 9_2009.pdf
Tafur, L., & Quevedo, R. (2014). Alternativa para el tratamiento de aguas residuales cromadas con quitosano extraído del exoesqueleto del camaron. http://repository.ut.edu.co/handle/001/
Fúquene, D. y Yate, A. (2018). Ensayo de jarras para el control del proceso de coagulación en el tratamiento de aguas residuales industriales. https://hemeroteca.unad.edu.co/index.php/wor kpaper/article/view/2771/
Anexos
Figura 2. Test de jarras, proceso de coagulación y floculación.
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
Figura 3. Test de jarras, proceso de coagulación y floculación.
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
Eficiencias 0,005 0,01 0,02 0,04 0,05 0, pH 3% 2% 3% 6% 9% 5% Turbiedad 29% 25% 21% 22% 61% 97% Eficiencias 0,08 0,1 0,2 0,4 0, pH 7% 11% 40% 40% 40% Turbiedad 97% 98% 98% 98% 98% Eficiencias 0,6 0, pH 41% 31% Turbiedad 96% 94%
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Figura 4. Balanza analítica.
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
Figura 5. Agitador magnético
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
Figura 6. Embudo y Sulfato de aluminio
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023. Figura 7. Equipo de Jarras.
Fuente: Caicedo y Galeano, 2023.
