Recibido: 23 Octubre 2020
Aceptado: 26 de enero de 2021
Disponible: 19 de marzo de 2021
Las fuentes naturales con alto contenido de color y baja turbiedad, características de una fuente superficial de páramo, pueden limitar el proceso de una planta potabilizadora, ya que se genera una baja velocidad de sedimentación de los flóculos formados en el proceso de coagulación. El objetivo de este documento es presentar el resultado de la investigación realizada al comparar la sedimentación producida por la combinación de cloruro férrico (FeCl3) e hidroxicloruro de aluminio (PAC), usados como coagulante primario y auxiliar de coagulación, respectivamente, versus PAC como coagulante primario. El estudio se desarrolló a escala de laboratorio utilizando pruebas de jarras y un agua natural con las características previamente mencionadas. Para cada opción de tratamiento se determinaron las curvas de sedimentación y se ajustaron a regresiones lineales, las cuales fueron comparadas estadísticamente. Asimismo, para cada curva, se estableció la eficiencia y la turbiedad teórica para tres velocidades de sedimentación: 1.3 cm/s, 0.9 cm/s y 0.6 cm/s. Los resultados indicaron que los dos procesos eran diferentes (p=0.000) y que el uso de FeCl3+PAC genera mayores velocidades de sedimentación de las partículas floculentas y menores turbiedades residuales teóricas, lo que permite mejorar la eficiencia del proceso de sedimentación. El estudio concluyó que el uso de FeCl3 en combinación con PAC representa una mejor opción técnica en comparación con el PAC como coagulante primario, ya que además de permitir la optimización del proceso de sedimentación, podría ayudar a aumentar la filtración y reducir el consumo de agua de lavado de filtros.
Palabras clave: baja turbiedad, sedimentabilidad de partículas, cloruro férrico, hidroxicloruro de aluminio.
Highly colored low turbidity water, which is characteristic of high mountain sources, can limit the process of water treatment plants because it generates a low sedimentation rate of the flocs formed in the coagulation process. This article compares the sedimentation produced by the combination of ferric chloride (FeCl3) and polyaluminium chloride (PAC) used as primary coagulant and coagulation auxiliary, respectively, versus PAC as primary coagulant. This study was conducted at laboratory level using jar tests and natural water with the aforementioned characteristics. The sedimentation curves of each treatment option were determined and adjusted to linear regressions, which were statistically compared. For each curve, efficiency and theoretical turbidity were determined using three sedimentation rates: 1.3 cm/s, 0.9 cm/s, and 0.6 cm/s. The results indicate that the two processes were different (p=0.000), and the use of FeCl3+PAC generated higher sedimentation rates and lower theoretical residual turbidities, which improves the efficiency of the sedimentation process. In conclusion, the use of FeCl3 in combination with PAC represents a better technical option than PAC as primary coagulant because, in addition to optimizing the sedimentation process, it could help to increase the filtration run and reduce the consumption of water for filter washing.
Keywords: Low turbidity, sedimentability of particles, ferric chloride, polyaluminium chloride.
Las aguas naturales con alto contenido de color y baja turbiedad presentan limitaciones para su tratamiento por coagulación química debido a las bajas tasas de sedimentación que presentan los flóculos generados por la baja concentración de partículas en suspensión y el alto contenido de materia orgánica natural (MON) que ocasiona la presencia de color real.
La MON es una mezcla compleja de partículas orgánicas de diferentes tamaños, pesos moleculares, estructuras, grupos funcionales e hidrofobicidad [
Adicionalmente, la MON puede ser alimento para el desarrollo de biopelículas en las tuberías que generaría un rebrote bacteriano en la red de distribución, disminuyendo la eficiencia de las operaciones de tratamiento del agua [
Latinoamérica, y especialmente Colombia, cuenta con circunstancias climáticas especiales, suelos volcánicos poco profundos y porosos con alto contenido de MON; particularmente su topografía, formada por la acción de los glaciales, genera una hidrología superficial como las fuentes de páramo [
En el año 2016 se realizó un estudio sobre la tratabilidad del agua del río Palacé, fuente de abastecimiento de una de las plantas de la ciudad de Popayán. La calidad del agua presentaba características propias de fuentes de páramo. Los valores promedio reportados de turbiedad y color del agua cruda fueron 7.34 UNT y 43.41 UPC, respectivamente, valores de pH en el rango de 6.88 a 7.33. El estudio mostró que para tener eficiencias mayores al 85 % en los sedimentadores, se requieren velocidades de sedimentación en los flóculos en el rango de 9.2 m/d a 14.4 m/d, lo cual equivale a considerar cargas superficiales menores a 70 m3/m2/d mediante la coagulación de FeCl3 + PAC; este último como ayudante de coagulación [
Este hallazgo motivó la necesidad de realizar un estudio comparativo de la velocidad de sedimentación de las partículas coaguladas con FeCl3 + PAC como coadyuvante de coagulación versus PAC como coagulante primario en agua natural, con alto contenido de color y baja turbiedad, en relación con la eficiencia de remoción de la turbiedad.
El estudio se realizó en laboratorios utilizando el equipo de prueba de jarras y agua cruda del río Palacé, el cual sirve como fuente de abastecimiento a la PTAP que surte a la zona norte de la ciudad de Popayán. La PTAP tiene una capacidad para tratar 500 L/s; cuenta con las siguientes estructuras de tratamiento: mezcla rápida con vertedor frontal, floculador hidráulico, sedimentador de alta tasa con placas paralelas, filtros a tasa declinante y dosificación de cloro; utiliza PAC como coagulante primario. La calidad del agua cruda se caracteriza por presentar altos niveles de color y baja turbiedad [
Para evaluar la sedimentación del PAC, usado como coagulante primario, versus FeCl3 como coagulante y PAC como auxiliar de coagulación, se partió de la comprobación de los parámetros óptimos establecidos en estudios previos por [
Para el estudio, la verificación y determinación de estos parámetros se realizó en un equipo de jarras EyQ Modelo F6-300-T (jarras cuadradas de 2 L de capacidad sin deflectores). Siguiendo la norma técnica colombiana NTC 3903 [
Proceso | Parámetro | FeCl3+PAC | PAC |
Mezcla rápida | Tiempo (s) | 20 | 10 |
Velocidad de giro (RPM) | 300 | 300 | |
Gradiente (s-1) | 360 | 360 | |
Mezcla lenta | Tiempo (min) | 20 | 30 |
Gradiente (RPM/s-1) | 40/30 | 40/30 | |
Sedimentación | Tiempo (min) | 25 | 25 |
La dosis de los coagulantes a utilizar en cada caso se determinó mediante una prueba de jarras, considerando las condiciones de calidad del agua cruda en el momento de realizar el ensayo. Para la dosis óptima del PAC como auxiliar de coagulación, se siguió la recomendación de [
En total se realizaron cuatro curvas de sedimentabilidad para determinar cuál es la velocidad de sedimentación apropiada para el diseño de los sedimentadores. Para cada curva se consideraron tiempos de sedimentación de 10 min a 65 min (con intervalos de 5 min en cada jarra). Para cada punto de la curva, la velocidad de sedimentación se determinó dividiendo la altura de la toma de muestra en la jarra entre el correspondiente tiempo de sedimentación, mientras que la fracción restante de turbiedad se determinó como el cociente entre la turbiedad remanente en la jarra y la turbiedad inicial. Tanto al agua cruda como al efluente de cada jarra se le midió pH, turbiedad y color, mediante el uso de un pH metro Orion 720, un turbidímetro Hach 2100Q y un colorímetro Hydrochem, respectivamente.
Dado que las curvas de sedimentación representan la eficiencia del proceso en función de la velocidad de sedimentación, se requiere saber si los dos tratamientos aplicados generan el mismo efecto o si presentan diferencias significativas, razón por la cual se realizaron dos tipos de comparaciones: regresión lineal entre las curvas de sedimentabilidad y pruebas t-pareadas para las turbiedades remanentes, estimadas con base en la eficiencia teórica de remoción, en tres velocidades de sedimentación específicas (1.3 cm/min, 0.9 cm/min y 0.6 cm/min). Para ello se usó el paquete estadístico Statgraphics versión centurión XVI.
La eficiencia de remoción teórica se estimó mediante (1) y utilizando las curvas de sedimentabilidad desarrollada en cada prueba [
La calidad del agua cruda para cada prueba, así como las dosis utilizadas se presentan en la Tabla 2. Las curvas de sedimentación encontradas en cada caso se presentan en las Figuras 1, 2, 3 y 4.
Parámetro | Prueba | |||
1 | 2 | 3 | 4 | |
pH crudo/ajustado | 7.5/8.9 | 7.5/9.0 | 7.3/8.9 | 7.8/8.7 |
Alcalinidad (mg/L CaCO3) | 90.8 | 79.4 | 50.2 | 61.2 |
Color (UPC) | 35.0 | 29.0 | 47.0 | 40.0 |
Turbiedad (UNT) | 14.9 | 9.51 | 19.5 | 22.4 |
Dosis FeCl3+PAC* (mg/L) | 39.0 | 48.0 | 42.0 | 42.0 |
Dosis PAC (mg/L) | 42.0 | 34.0 | 34.0 | 36.0 |
Con el fin de realizar las comparaciones estadísticas, los datos de las curvas de sedimentación se ajustaron a un modelo logarítmico que describe de mejor manera el comportamiento de la curva, cuya ecuación (2) se expresa como:
Donde:
Fr: Fracción remanente
Vs: Velocidad de sedimentación (cm/min)
a: pendiente
b: Intercepto en la abscisa
La Tabla 3 muestra los valores que se obtuvieron para cada uno de los tratamientos por cada ecuación ajustada. Los coeficientes de correlación de Pearson (R2) estuvieron por encima del 90 %, lo cual explica la estrecha relación que existe entre la velocidad de sedimentación y la eficiencia de remoción de turbiedad.
Prueba | Tratamiento | a | b | R2 |
1 | PAC | 0.160 | 0.461 | 0.922 |
FeCl3+PAC | 0.073 | 0.180 | 0.937 | |
2 | PAC | 0.112 | 0.319 | 0.964 |
FeCl3+PAC | 0.067 | 0.192 | 0.788 | |
3 | PAC | 0.153 | 0.360 | 0.891 |
FeCl3+PACl | 0.040 | 0.114 | 0.923 | |
4 | PAC | 0.134 | 0.326 | 0.924 |
FeCl3+PAC | 0.015 | 0.053 | 0.965 |
En la Tabla 4 se muestran los resultados de la comparación estadística de regresión lineal entre las pendientes y los interceptos con los tipos de coagulante evaluados para las cuatro pruebas realizada. En particular, al comparar estadísticamente las regresiones lineales del PAC vs las del FeCl3+PAC, se encontró que el valor-P, tanto para las pendientes como para los interceptos, es menor que 0.01 (ver Tabla 5), lo cual indica que existen diferencias significativas entre las pendientes y los interceptos de los tratamientos evaluados con un nivel de confianza del 99 %.
Prueba | Fuente | Suma de Cuadrados | Gl | Cuadrado medio | Razón-F | Valor-P |
1 | Vel. Sed. | 0.041 | 1 | 0.041 | 589.9 | 0.000 |
Interceptos | 0.182 | 1 | 0.182 | 2581.0 | 0.000 | |
Pendientes | 0.005 | 1 | 0.005 | 82.7 | 0.000 | |
Modelo | 0.229 | 3 | ||||
2 | Vel. Sed. | 0.024 | 1 | 0.024 | 632.1 | 0.000 |
Interceptos | 0.029 | 1 | 0.029 | 765.9 | 0.000 | |
Pendientes | 0.002 | 1 | 0.001 | 40.45 | 0.000 | |
Modelo | 0.052 | 3 | ||||
3 | Vel. Sed. | 0.091 | 1 | 0.091 | 811.9 | 0.000 |
Interceptos | 0.326 | 1 | 0.326 | 2899.4 | 0.000 | |
Pendientes | 0.028 | 1 | 0.028 | 251.35 | 0.000 | |
Modelo | 0.445 | 3 | ||||
4 | Vel. Sed. | 0.075 | 1 | 0.075 | 640.31 | 0.000 |
Interceptos | 0.623 | 1 | 0.623 | 5290.84 | 0.000 | |
Pendientes | 0.048 | 1 | 0.048 | 413.47 | 0.000 | |
Modelo | 0.747 | 3 |
Turbiedad PAC (UNT) | Turbiedad FeCl3+PAC (UNT) | |||||
Vs (cm/min) | 1.30 | 0.90 | 0.60 | 1.30 | 0.90 | 0.60 |
Prueba 1 | 5.33 | 4.53 | 3.69 | 1.96 | 1.59 | 1.21 |
Prueba 2 | 2.32 | 1.96 | 1.59 | 1.41 | 1.19 | 0.97 |
Prueba 3 | 5.16 | 4.23 | 3.28 | 1.74 | 0.93 | 1.24 |
Prueba 4 | 5.40 | 4.45 | 3.49 | 0.98 | 0.88 | 0.77 |
Media (UNT) | 4.55 | 3.79 | 3.01 | 1.52 | 1.15 | 1.05 |
Desv. Est | 1.49 | 1.23 | 0.96 | 0.43 | 0.33 | 0.22 |
Tal como lo muestra la Tabla 5, se evidencia que para el PAC los valores de turbiedad remanente se encontraron por encima de 3.0 UNT, mientras que para la combinación FeCl3+PAC no superaron 1.6 UNT. Considerando que estas turbiedades serán las de entrada a los filtros rápidos y que su valor genera una influencia tanto en la duración de carrera como en la turbiedad del agua filtrada [
Si bien el efecto más importante se presenta sobre la remoción de turbiedad, el color aparente también fue removido de manera significativa. Con velocidad de sedimentación máxima de 0.74 cm/min, se alcanzaron valores promedio al final del proceso de sedimentación de 18.8 UPC y 14.0 UPC, equivalente a una remoción de 54.0 % y 59.2 % para PAC y FeCl3+PAC, respectivamente. En este sentido, los dos tratamientos evaluados cumplirían la normatividad colombiana sobre color (máximo 15 UPC) [26], dado que en el proceso de tratamiento aún faltaría considerar la remoción generada por la filtración.
Por otra parte, los ministerios de Salud y Protección Social, Ambiente y Desarrollo Sostenible y Vivienda, Ciudad y Territorio de Colombia [
En aguas con alto color y baja turbiedad, como la que se presenta en el río Palacé, el estudio concluyó que el uso de FeCl3 como coagulante primario y PAC como ayudante de coagulación representan una mejor opción técnica en comparación con el PAC como coagulante primario, ya que genera flóculos con mayores velocidades de sedimentación que mejoran la eficiencia de remoción en turbiedad y permiten la optimización de la sedimentación. Respecto a la remoción de color, los dos tratamientos evaluados podrían cumplir la normatividad colombiana. Adicionalmente, esta opción podría generar menores costos en la dosificación de productos químicos y ahorro en el agua de lavado de los filtros. En este sentido, los autores recomiendan la realización de un estudio en planta escala real que permita la validación de los aspectos antes mencionados.
A la empresa de Acueducto y Alcantarillado de Popayán S.A. E.S.P. y al ingeniero Mauricio Ramírez y operarios de la PTAP de Palacé por facilitar los equipos de medición de laboratorio y los espacios en general de la planta de tratamiento para el desarrollo del presente estudio. Este estudio contó con apoyo económico de la Universidad del Cauca, quien asumió el costo de los docentes participantes en la investigación.
Los autores declaran que no tienen intereses económicos en competencia o relaciones personales que pudieran haber influido en el trabajo reportado en este documento.
Javier Fernández: definición de la metodología, coordinación del equipo de trabajo, manejo estadístico de los datos, apoyo en la redacción del documento, revisión y aprobación final de la escritura y correcciones técnicas del manuscrito.
Susana Montenegro: desarrollo de la metodología en cuanto a pruebas experimentales y adquisición de los datos, apoyo en la escritura y preparación del documento y correcciones del manuscrito.
Cristina Ledezma: desarrollo de la metodología en cuanto a pruebas experimentales y adquisición de los datos, apoyo en la escritura y preparación del documento y correcciones del manuscrito.
Jeffrey Yanza: desarrollo de la metodología en cuanto a pruebas experimentales y adquisición de los datos, procesamiento y manejo estadístico de los datos y apoyo en la escritura del manuscrito y preparación del documento.