Aplicación y estado actual del desarrollo de la tecnología de coagulación de portadores

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Este mensaje fue modificado por última vez por liuquan1100 el 11-2-2018 a las 14:30. Resumen: Se explica el principio de funcionamiento de la tecnología de coagulación de sólidos en suspensión. Se describen en detalle los procesos utilizados en los sistemas Actiflo y DensaDeg, así como sus parámetros de diseño y resultados de tratamiento. También se analiza el estado actual del desarrollo de esta tecnología, y se presentan varios nuevos dispositivos y procesos combinados. Se señala que la coagulación de los portadores es una técnica de precipitación rápida, compacta y eficiente, que presenta ventajas como el ahorro de espacio, la resistencia a las cargas de impacto y una alta eficiencia en el tratamiento. Cumple con los requisitos para construir una sociedad que aproveche eficientemente los recursos, por lo que tiene un buen potencial de aplicación. Palabras clave: Floculación de soportes ； Actiflo@Tanque de sedimentación rápida ； DensaDeg@Tanque de clarificación de alta densidad ； Arena fina. Código de clasificación en la Biblioteca Nacional de China: X703,1. Código de identificación del documento: B. Número del artículo: 1000—4602(2007)08—0001—04. La coagulación con uso de un agente portador es una técnica de sedimentación rápida. Su característica principal es la adición, en la fase de coagulación, de partículas insolubles de alta densidad (como la arena fina). Gracias a la gravedad de estas partículas y a su capacidad de adsorción, se acelera el “crecimiento” de los flocos y su sedimentación. En comparación con los procesos de floculación tradicionales, esta tecnología presenta ventajas como un menor espacio ocupado, un costo de construcción más bajo y mayor resistencia a las cargas de impacto. Desde la década de 1990, Occidente **ha desarrollado diversas tecnologías aplicadas avanzadas, que se han utilizado con éxito en más de 100 grandes plantas de tratamiento de agua en todo el mundo.** Actualmente, aunque existen ejemplos de adaptación del proceso de coagulación con soportes en el país, este aún no se ha generalizado, y también hay pocos informes sobre la tecnología de coagulación con soportes. 1 Principio de funcionamiento: La EPA de los Estados Unidos define la coagulación de los sólidos en suspensión como un proceso de tratamiento físico-químico que consiste en utilizar partículas de medio en ciclo continuo, además de diversos agentes químicos, con el fin de mejorar la capacidad de adsorción de los flocos y, así, facilitar la sedimentación de los sólidos en suspensión en el agua. Su principio de funcionamiento consiste, primero, en añadir coagulantes al agua (como el sulfato de hierro), lo que hace que las partículas en suspensión y las partículas coloidales pierdan su estabilidad. Luego, se añaden agentes coagulantes de alto peso molecular y partículas portadoras de mayor densidad. De esta manera, las partículas impuras, una vez desestabilizadas, utilizan estas partículas portadoras como núcleo para formar estructuras más densas. Gracias a la acción de los enlaces formados por las cadenas poliméricas y a la acción de las partículas de arena fina que actúan como redes de captura, se generan rápidamente estas estructuras densas. Esto permite **acortar el tiempo de sedimentación, mejorar la capacidad de tratamiento de las plantas de clarificación y hacer frente eficazmente a cargas de alto impacto**. 2 Procesos típicos 2.1 Proceso Acfiflo@ El proceso Actiflo@ fue desarrollado por la empresa OTV-Kruger (una filial de ingeniería del grupo Veolia Water). Desde el año 1991, se utiliza en Europa para el tratamiento del agua potable y las aguas residuales. Su característica principal es el uso de arena fina con un tamaño de partículas entre 45 y 150 µm como medio para mejorar la coagulación. Además, se emplean tanques de sedimentación inclinados para acelerar la separación de sólidos y líquidos. La carga superficial puede ser de 80 a 120 m/h; en algunos casos, incluso puede llegar a 200 m/h. Se trata de la técnica de floculación con medios sólidos más utilizada actualmente. Algunas plantas de tratamiento de agua en el país ya han adoptado esta tecnología; por ejemplo, en el proyecto Linjiang de la empresa Veolia Water Shanghai Pudong en el año 2004, se utilizó el proceso de sedimentación rápida Actiflo@ ； La Novena Estación de Tratamiento de Agua de Pekín, ante las condiciones de agua bruta con baja temperatura, baja turbidez y alto contenido de algas, adoptó el proceso de sedimentación de alta eficiencia Actiflo@ en la obra de reforma de sus tanques de sedimentación de segunda fase. El proceso de Actiflo@ se muestra en la Figura 1. Todo el proceso se divide en 3 fases: mezclado, maduración y precipitación a alta velocidad. Primero, el agua bruta, a la que se le ha añadido un coagulante (sales de hierro o sales de aluminio), entra en la cámara de mezclado. Después de ser agitada rápidamente, fluye hacia la cámara de dosificación ； En la piscina de dosificación se añaden coagulantes orgánicos y un soporte de arena fina para favorecer el “crecimiento” de los flocos. Después de una permanencia hidráulica de 1 a 2 minutos, el líquido pasa a la piscina de maduración ； Bajo una agitación lenta, los floculados formados a partir de la arena fina se consolidan aún más, dando lugar a estructuras más grandes y densas. Finalmente, el agua pasa por un tanque de sedimentación en forma de tubo inclinado; allí, la gravedad hace que las partículas de los floculados se depositen rápidamente, gracias también al efecto de sedimentación acelerado que proporcionan los tubos inclinados. El lodo que contiene arena fina es devuelto al ciclón hidráulico ubicado en la parte superior del dispositivo. Allí, la fuerza centrífuga separa el lodo de la arena fina; esta última vuelve a ser utilizada en el tanque de coagulación. 2.2 Proceso DensaDeg@ El tanque de clarificación de alta densidad DensaDeg@ fue desarrollado por la empresa francesa Degremont. Puede utilizarse para la clarificación del agua potable, la eliminación del fósforo en tres etapas, el refuerzo del proceso de sedimentación inicial, así como para el tratamiento de los efluentes provenientes de sistemas de alcantarillado combinados (CSO) y de los efluentes domésticos (SSO). Este proceso ya se ha implementado en Francia, Alemania y Suiza. Con la entrada de las principales compañías internacionales de servicios de agua al mercado chino en los últimos años, también hay algunas plantas de tratamiento de agua en el país que han utilizado esta tecnología para ampliar y modernizar sus procesos existentes. Por ejemplo, en la obra de ampliación y modernización de la planta de tratamiento de agua de Shidunzi en Urumqi se empleó esta tecnología. El proceso DensaDeg@ combina técnicas como la coagulación, la sedimentación en tubos inclinados y el reflujo de lodos. Desde el punto de vista estructural, se divide principalmente en una zona de reacción, una zona de presedimentación/concentración y una zona de clarificación con tubos inclinados (ver Figura 2). Se caracteriza por el recirculación externa del lodo floculado, lo que permite que funcione como un agente de floculación. Esto acelera el proceso de floculación y garantiza la calidad de los flocos que se forman. La zona de reacción se divide principalmente en tanques de reacción con agitación rápida y tanques de reacción con flujo lento. En los primeros, el agua bruta se mezcla completamente con el coagulante, lo que permite lograr una coagulación preliminar ； Este último método permite que los floculados “crezcan” adecuadamente mediante una circulación lenta del flujo. De esta manera, se puede formar en toda la zona de reacción un sistema mixto con buena calidad de floculación, alta densidad y excelentes propiedades de separación. La mezcla, una vez bien coagulada, pasa al área de sedimentación/preconcentración, donde se realiza una separación rápida. El agua que queda en la parte superior es enviada a la zona de clarificación por medio de tubos inclinados, con el fin de eliminar aún más los flocos residuales en el agua. El lodo de la parte inferior, después de ser concentrado, es extraído mediante máquinas especiales y llevado a los tanques de almacenamiento de lodos. Una parte del lodo vuelve a ser introducida en el agua de entrada, mientras que el resto es enviado al sistema de tratamiento de lodos. La empresa Degremont también ha desarrollado un tanque de clarificación llamado DensaDeg@4D, diseñado específicamente para tratar todo tipo de derrames de aguas residuales. Su principio de funcionamiento es similar al del proceso DensaDeg@; su objetivo principal es purificar las aguas, lográndose esto a través de funciones como la eliminación de grava y grasas, el uso de unidades de coagulación y floculación integradas, así como el sedimentación en tubos inclinados. Además, permite la espesificación y concentración de los lodos. Su proceso de trabajo consiste en que el agua bruta, a la que ya se le ha añadido coagulante, primero entra en la piscina de precoagulación. Allí, mediante la agitación con aire, los electrolitos inorgánicos entran en contacto completo con las partículas presentes en el agua, lo que permite que las piedras y grava más grandes se depositen directamente en el fondo de la piscina y sean eliminadas ； El agua resultante de la coagulación previa entra en la cámara de floculación, donde se mezcla completamente con el lodo devuelto y los polímeros coagulantes añadidos, bajo la acción de la agitación mecánica. De esta manera, se forman flóculos densos ； El agua, una vez completamente coagulada, pasa a un tanque de clarificación con tubos inclinados. En la zona de sedimentación preliminar, la mayor parte de los flocos se separa del agua; el resto es eliminado a través del tanque de sedimentación con tubos inclinados. La grasa que flota en la superficie del agua se recoge mediante raspadores, con lo que se logra eliminarla ； La parte del lodo que se deposita en el fondo de la piscina de clarificación es devuelta, mientras que la parte restante se espesa y se concentra. 2.3 Efectividad del tratamiento. En la ciudad de Fort Worth, en el estado de Texas, Estados Unidos, se realizaron estudios piloto sobre los dos procesos de coagulación mencionados, con el objetivo de diseñar soluciones para manejar los picos de caudal de aguas residuales. Los resultados se presentan en la Tabla 1. En la ciudad de Columbus, estado de Ohio, Estados Unidos, se llevaron a cabo estudios piloto para abordar los problemas relacionados con el desbordamiento de aguas pluviales y de aguas residuales en sistema de confluencia. Para ello, se utilizaron los procesos de coagulación con los agentes Actiflo@ y DensaDeg@. La caudalidad de entrada de agua en estos procesos fue de 0,53–1,32 m³/min y 0,49–0,81 m³/min, respectivamente. La carga superficial promedio fue de 40 y 20 m/h. Las velocidades de desbordamiento fueron de (2,0–3,1) y (1,4–1,6) m/min, respectivamente. La tasa de eliminación de sólidos en suspensión fue superior al 85%. Los resultados indican que ambos procesos pueden abordar eficazmente problemas como las altas cargas de impacto causadas por el desbordamiento de agua pluvial o residual, y las grandes fluctuaciones en la calidad del agua. Además, a través de pruebas se determinó la cantidad necesaria de diferentes coagulantes para lograr una tasa de eliminación del TSS del 85 %; los resultados se presentan en la Tabla 2. Como se puede observar en estos dos ejemplos, los procesos de coagulación utilizando los portadores Actiflo@ y DensaDeg@ son eficaces para tratar aguas residuales con altas cargas de contaminantes. Al optimizar la cantidad de coagulante utilizado, es posible lograr una tasa de eliminación del TSS de más del 85%. Además, bajo las mismas condiciones, la cantidad de producto químico necesaria para el proceso Actiflo@ es menor que la requerida por DensaDeg@ ； La única desventaja de estos dos procesos es que el valor de BOD del agua resultante varía mucho. Esto se debe a que el proceso de coagulación pertenece al grupo de los tratamientos físico-químicos, y por lo tanto resulta difícil eliminar de manera efectiva las sustancias orgánicas disueltas en el agua. Pero, en general, el proceso de coagulación de los portadores resuelve de manera eficaz los problemas de desbordamiento de aguas residuales y de altas cargas de impacto que son difíciles de manejar con los métodos tradicionales. 2.4 Parámetros de diseño Los parámetros de diseño para los procesos de coagulación de los soportes Actiflo@ y DensaDeg@ se muestran en la Tabla 3. 3 Estado actual del desarrollo 3.1 Desarrollo de nuevos dispositivos Binot Patrick y otros en Francia han desarrollado un dispositivo de coagulación de partículas que integra varios modos de sedimentación. Este dispositivo permite ajustar su modo de funcionamiento según la calidad y cantidad de agua que se introduce, lo que lo hace adecuado para tratar aguas residuales cuyos caudales y concentraciones de contaminantes varían considerablemente a lo largo del año. En general, la relación entre el caudal promedio en días soleados, el caudal máximo y el caudal en días lluviosos en una planta de tratamiento de aguas residuales urbana es de aproximadamente 1:2:10. Durante la temporada seca, la planta funciona en modo de sedimentación normal; mientras que durante la temporada de lluvias, funciona en modo de coagulación, mediante la adición de coagulantes y arena fina. Cuando el volumen de aguas residuales está entre estos dos extremos, se utiliza el método convencional de coagulación y sedimentación. Su proceso de trabajo consiste en que el agua bruta fluye sucesivamente por la zona de adición de productos químicos, la zona de maduración y la zona de sedimentación con tubos inclinados. En la zona de adición de productos químicos, el agua bruta se mezcla completamente con los coagulantes. El agua resultante de esta etapa preliminar de coagulación pasa a la zona de maduración, donde se añaden agentes auxiliares de coagulación y arena fina. Una vez que los grumos se han formado adecuadamente, el agua pasa a la zona de clarificación, donde los grumos residuales se eliminan mediante la sedimentación en los tubos inclinados. La arena fina suele depositarse en el fondo de la piscina de maduración; en ese momento, el sistema funciona en modo de sedimentación normal ； Cuando la cantidad de agua aumenta de repente, incluso más allá de la capacidad de funcionamiento del sistema, la velocidad del flujo del agua y la velocidad de agitación también aumentan. Esto hace que la arena fina flote desde el fondo del tanque, actuando como núcleos para la formación de floculados. De este modo, se logra el objetivo de flocular los sólidos presentes en el agua. Este dispositivo reduce el consumo innecesario de productos químicos en comparación con los equipos de coagulación convencionales, lo que permite disminuir los costos operativos. No obstante, se requiere instalar más unidades de control y monitoreo, por lo que la inversión inicial es mayor que en los dispositivos tradicionales. Streat Philip de Estados Unidos diseñó un dispositivo de coagulación con estructura cúbica. La cámara de mezclado, la cámara de reacción y la cámara de lodos están diseñadas con forma rectangular, y se combinan de manera orgánica dentro del dispositivo de coagulación. Esta estructura es compacta, lo que permite ahorrar mucho espacio. El proceso de este dispositivo es el siguiente: primero, se añaden coagulantes y arena fina al agua, la cual se mezcla completamente en la cámara de mezclado. Luego, el líquido pasa a la cámara de reacción, donde, bajo la acción de la agitación, se forman grumos grandes y densos, utilizando las partículas de arena fina como núcleos para su formación. En las paredes que separan la cámara de reacción de la cámara de lodos, existen dos aberturas, una en la parte superior y otra en la inferior. Los grumos formados circulan entre estas dos cámaras a través de dichas aberturas. Los grumos más grandes y densos caen directamente al fondo de la cámara de lodos, mientras que los grumos más ligeros regresan a la cámara de reacción para seguir “creciendo”. El lodo y la arena presentes en el recipiente de lodo son transportados, a través de un mecanismo de transmisión, hasta los equipos de limpieza para su separación. La arena fina resultante de esta separación vuelve a los equipos de limpieza para ser reutilizada en la cámara de mezclado. La cámara de clarificación se encuentra justo encima de la cámara de reacción. El agua, después de haber sido coagulada, fluye hacia arriba a través del dispositivo de control de corrientes en forma de nido de abeja y entra en la cámara de clarificación. Las partículas sólidas caen de vuelta a la cámara de reacción, mientras que el agua limpia es expulsada a través del canal de desbordamiento. La mayor ventaja de este dispositivo es su compactidad: no se necesitan tuberías para el transporte de agua ni bombas entre las diferentes estructuras. De este modo, se evita el desgaste de las bombas y las tuberías causado por los granos de arena, lo que permite ahorrar espacio e inversiones en equipos. 3.2 Procesos combinados El proceso de coagulación es una unidad importante dentro del proceso de tratamiento de aguas; puede utilizarse en combinación con otros procesos para lograr un resultado de tratamiento óptimo. En el año 2005, la empresa Kruger solicitó dos patentes relacionadas con la coagulación de los sólidos en las aguas residuales; ambas patentes se referían a procesos combinados para tratar dichas aguas ； La planta de tratamiento de agua de Méryose, en París, utiliza un proceso de coagulación con agentes portadores combinado con nanofiltración para suministrar agua potable de alta calidad a 800.000 habitantes, a una tasa de 14×104 m3/día. Joyce Standley Perri y otros, con el objetivo de resolver problemas como la toxicidad y la corrosividad de las sustancias químicas utilizadas en los procesos de coagulación de los soportes, propusieron el uso de un proceso combinado que integra reactores de electrocoagulación con técnicas de coagulación de soportes. Su proceso de trabajo consiste en que el agua bruta entra primero en el reactor de electrocoagulación. Al aplicar una corriente eléctrica, las placas ánodos pierden electrones y generan iones como Al3+ y Fe2+. Bajo los efectos físico-químicos de la ionización, electrólisis, hidrólisis y efectos electromagnéticos, las cargas superficiales que mantienen dispersos a los contaminantes se neutralizan, lo que rompe la estabilidad de dispersión de las partículas contaminantes ； Las aguas residuales desestabilizadas entran en un dispositivo de coagulación basado en soportes (como los tanques de clarificación Actiflo@). Allí, pasan sucesivamente por un tanque de mezcla, un tanque de maduración y un tanque de sedimentación con tubos inclinados. Bajo la acción de agentes coagulantes y soportes de arena fina, las partículas dispersas se adhieren entre sí y “crecen”, formando floculados de alta densidad y calidad. Finalmente, mediante la sedimentación en los tubos inclinados, se logra la separación de las sustancias sólidas de las líquidas, obteniendo así agua limpia. La ventaja de este proceso es que no se necesitan coagulantes a base de sales de hierro o aluminio, lo que reduce los costos de los productos químicos utilizados. Además, su estructura es compacta y permite ahorrar espacio; la calidad del agua resultante cumple con los requisitos ambientales. Con el fin de mejorar la eficacia del proceso de coagulación con soportes para eliminar el BOD5 disuelto, Branden Hudson y colaboradores desarrollaron un proceso que combina el uso de lodo activo con la coagulación con soportes. Este proceso puede llevarse a cabo en dos modos: ① El agua se somete primero al tratamiento con lodo activo y luego al tratamiento con soportes, lo que permite obtener un agua más clara ； ②El agua se divide en dos partes: una parte va al tanque de lodo activo, donde se mezcla bien antes de pasar al sistema de coagulación con soportes; la otra parte va directamente al sistema de coagulación con soportes. Juntas, ambas partes, junto con la mezcla que sale del tanque de lodo activo, pasan por un proceso de coagulación y sedimentación para luego ser vertidas de acuerdo con las normas establecidas. En este proceso, como equipo de coagulación de los sólidos en suspensión, se puede utilizar el dispositivo Actiflo@ de la empresa OTV-Kruger. La parte del lodo activo que ha sido coagulado en el tanque de clarificación es devuelta al tanque de reacción para ser reutilizada, mientras que la parte restante es enviada al sistema de tratamiento de lodos. En este proceso, la función del lodo activo es degradar el BOD5 disuelto en el agua. Además, actúa como soporte y agente de adsorción en la cámara de coagulación, lo que favorece el “crecimiento” de los flocos y su sedimentación, reduciendo así la cantidad de soportes en forma de arena fina necesarios. Cuando el valor de MLSS es de 800 mg/L y el tiempo de reacción de contacto es de 30 minutos, este proceso permite eliminar el BOD5, el COD soluble y los sólidos en suspensión en tasas del 83,8%, 75,7% y 89,4%, respectivamente. Esto demuestra que este proceso es eficaz para eliminar las sustancias orgánicas solubles y los sólidos en suspensión presentes en el agua. 4 Conclusiones ① La coagulación de los sólidos en suspensión es una técnica de sedimentación eficiente, que además es compacta y permite ahorrar recursos. En comparación con los procesos de sedimentación tradicionales, presenta ventajas como una alta eficiencia en el tratamiento, un menor espacio ocupado, resistencia a las cargas de impacto y un menor consumo de químicos. ② La desventaja de los dispositivos tradicionales de coagulación con soportes es que el ciclo de las partículas de arena entre las tuberías y las bombas acorta la vida útil del equipo. Además, el proceso de coagulación no es eficaz para eliminar las sustancias orgánicas disueltas en el agua, por lo que su efectividad en la reducción de los valores de BOD y COD es limitada. En comparación con los dispositivos tradicionales, los nuevos dispositivos de coagulación con soportes requieren más equipos y componentes de control. ③ Actualmente, la dirección del desarrollo de esta tecnología consiste en crear nuevos dispositivos cuyo objetivo es resolver las diversas deficiencias de los equipos tradicionales de coagulación, o bien utilizarla en combinación con otros procesos para lograr un efecto sinérgico. Por ejemplo, su uso en combinación con el método de lodo activo puede resolver el problema de la baja tasa de eliminación de los compuestos orgánicos disueltos en las aguas. ④ A medida que la competencia en el mercado de la industria del agua se vuelve cada vez más intensa, y dado el aumento de la escasez de energía y recursos, los usuarios exigen cada vez más innovaciones tecnológicas. En el futuro, los principios que guíen el desarrollo de equipos deberían centrarse en aumentar el grado de automatización de estos equipos, ahorrar recursos y mejorar su eficiencia. Los dispositivos desarrollados sobre la base de la coagulación de partículas pueden cumplir con estos principios, lo cual está en línea con las necesidades de nuestro país para construir una sociedad que aproveche al máximo los recursos. Estos dispositivos podrían desempeñar un papel importante en el campo del tratamiento de aguas en nuestro país, ayudando a reducir la brecha con los países desarrollados. Participar