Читать книгу Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano - Arístides Sotomayor - Страница 15

El agua cruda, que se obtiene de diversas fuentes, debe ser tratada para su uso, ya sea en el consumo humano (agua potable) o en la actividad industrial (agua industrial). En este acápite se desarrolla una breve introducción sobre el tratamiento típico del agua. Este proceso depende de la fuente del agua, de las tecnologías aplicadas y de su uso final, como agua potable o industrial. Su objetivo es mejorar las características físicas, químicas, fisicoquímicas y bacteriológicas del agua, de tal manera que, después de haber sido tratada, cumpla con los parámetros de calidad requeridos de acuerdo con los estándares establecidos por los organismos competentes. Por su parte, los equipos que se utilizan en el proceso están en función de la disponibilidad (caudal y estacionalidad) y el entorno de la instalación de la planta. Teniendo en cuenta estos parámetros, se determina el proceso de tratamiento adecuado del agua que permita cumplir con los objetivos de calidad exigidos por las normativas vigentes.

Las fuentes de agua son muy variadas; pueden ser aguas naturales superficiales o subterráneas, aguas tratadas previamente (filtradas, agua potable, entre otras), aguas residuales y efluentes industriales. Por ejemplo, si se requiere obtener agua potable para consumo humano y la fuente de agua es un río o un pozo artesiano, los procesos de tratamiento difieren debido a la posible presencia en el agua de río de sólidos tales como ramas, arena, cáscaras, arcillas, etcétera; y químicos, como detergentes, solventes o insecticidas, entre otros. Por otra parte, el agua de pozo arrastra arena por efecto de la succión, así como sustancias solubles y patógenas si existiera una fuente de contaminación cercana. En el caso de una empresa de teñido de tejidos de algodón, que utiliza agua potable como fuente de abastecimiento, el proceso de tratamiento de agua que se necesita es diferente (Sulem, Molina, Rojas, Power y Goñi, 2014).

Una vez conocida la información sobre las características del agua que se desea obtener y las características de la fuente de agua cruda, se debe saber la cantidad de agua que se va a tratar por unidad de tiempo, es decir, el caudal, para establecer los procesos y la secuencia de las etapas. El caudal es un factor determinante tanto en la selección de los equipos como en los costos de procesamiento, ya sea en proceso continuo o discontinuo (batches o lotes), así como en el nivel de la tecnología utilizada y la fragmentación de los procesos. Todos estos factores son de gran importancia para determinar el grado de inversión.

Los requerimientos de calidad y volumen de agua son muy variables, al igual que los procesos para la obtención del agua potable o industrial, pero, según el uso final al que será destinada, el agua cruda debe someterse en general a los tratamientos que se indican a continuación:

• Tratamiento primario: consiste en la separación de sustancias no solubles en el agua (sólidos y líquidos no miscibles) y de material inorgánico disuelto.

• Tratamiento secundario: es el tratamiento biológico de la materia orgánica disuelta en el agua para transformarla en sólidos suspendidos, que se eliminan con facilidad, y gases.

• Tratamiento terciario: comprende procesos adicionales como la separación de sales disueltas, nutrientes, patógenos y otros, a fin de obtener una mejor calidad del agua potable, para uso industrial o para mejorar la calidad de los efluentes.

En la figura 1.5, se puede apreciar la secuencia de las principales etapas del proceso de tratamiento de agua potable y agua industrial. En Lima, la fuente de agua potable es el río Rímac, cuyas aguas reciben un tratamiento primario para eliminar la turbidez y continúan por diferentes etapas hasta la aplicación de un tratamiento terciario para su desinfección. Para el sector industrial, el proceso es más amplio y requiere etapas complementarias, además de un tratamiento secundario en el caso de la industria farmacéutica y bebidas, entre otros.

Figura 1.5

Secuencia de tratamiento típico de agua potable e industrial

Elaboración propia

El tratamiento del agua comienza con la separación de los materiales sólidos grandes y los materiales flotantes o en suspensión, seguida por la captura y posterior eliminación de material particulado fino, olores, color, líquidos no miscibles y sustancias ionizadas sedimentables. Las sustancias orgánicas disueltas, las sustancias ionizadas no sedimentables y las partículas microscópicas —por ejemplo, bacterias, esporas y virus, entre otras— son consideradas en el tratamiento secundario y terciario. Los materiales flotantes de mayor tamaño se retiran con medios filtrantes como mallas, rejas o cribas, los cuales se colocan al paso de la corriente de agua. Los flotantes de pequeño tamaño y los líquidos no miscibles de densidad menor a la del agua —como aceites y grasas— se eliminan en los decantadores mediante un proceso de desnatado de la capa superior o por separación de la capa acuosa en las pozas de sedimentación. Por su parte, el material en suspensión consta de partículas sólidas de diferentes tamaños que son arrastradas por las corrientes de agua y se encuentran en distintas cantidades; estas se clasifican en suspensiones gravitacionales con diámetro mayor a 10^–3 m, que se separan por simple decantación; suspensiones finas con dimensiones de 10^–3 m o menos, que sedimentan a velocidades muy reducidas; y suspensiones coloidales con diámetros entre 1 y 200 micrómetros (µm), que prácticamente no sedimentan. Todas las partículas sólidas en suspensión están sometidas a diversas fuerzas que interactúan simultáneamente; las principales son la energía cinética (E_C = 1/2mv²) por el movimiento del agua y la energía potencial (E_p = mgh) por la diferencia de cota; las partículas se mantendrán en suspensión en el caso de que E_c sea mayor que E_p; cuando el agua disminuye su velocidad, se reduce la E_c y llega el momento de que E_c sea menor que E_p; entonces, la partícula es atraída por la gravedad, es decir, sedimenta (Sulem et al., 2014). En la tabla 1.5, se muestran los materiales presentes en las fuentes de agua que son arrastrados a lo largo de su recorrido.

El proceso de sedimentación es una de las operaciones principales en la reducción de las suspensiones del agua. Cuando se procesan grandes cantidades de agua, es necesario un proceso continuo donde el caudal se mantenga constante y la velocidad de circulación del agua se vaya reduciendo para facilitar la sedimentación de las partículas gravitacionales. Los sedimentadores más utilizados son los estáticos de flujo horizontal, donde la pérdida de la velocidad del agua es continua; y los sedimentadores verticales de flujo ascendente/descendente, donde las partículas pierden energía cinética y energía potencial, y al impactar con las paredes cambian la dirección del flujo. En ambos, los sedimentos se decantan por la parte inferior de los equipos.

Tabla 1.5

Materiales arrastrados usualmente por las fuentes de agua

Tipos de materiales	Materiales arrastrados
Sólidos grandes	Cajas, botellas, troncos, ramas, piedras, cuerpos en descomposición
Sólidos flotantes	Cáscaras, poliestireno expandido, botellas, bolsas plásticas
Sólidos pequeños y densos	Arena, grava
Sólidos pequeños y poco densos	Arcillas, minerales no compactos
Partículas pequeñas	Polvo, semillas
Líquidos no miscibles	Aceites, querosene, solventes
Gases disueltos	Aire, CO2, NOx
Sustancias disueltas	Alcoholes, fertilizantes, proteínas, insecticidas
Sales ionizadas	Carbonatos, cloruros, sulfatos
Bacterias, virus, algas	Coliformes, Salmonella, parásitos, Shigella, Leptospira

Elaboración propia

En estas situaciones de proceso continuo, no se puede reducir la velocidad del agua hasta detener el flujo; por esta razón, en los procesos de sedimentación/decantación no siempre se logra separar todas las partículas en suspensión. El concepto de tiempo de retención hidráulica (TRH) es el tiempo que tarda una partícula de agua en atravesar todo el equipo, en este caso, el sedimentador. Cada equipo tiene su TRH y su variación determina el tamaño de partícula que se sedimentará: cuanto menor sea la masa de la partícula, menor será el valor de la fuerza de la gravedad que actúa sobre ella y, por lo tanto, menor la velocidad de sedimentación. Cuando esta se hace muy lenta, se utilizan productos químicos que permiten la aglomeración de las partículas finas en partículas de mayor tamaño (mayor masa), lo cual hace posible una más rápida y fácil sedimentación/filtración. Este proceso se denomina floculación y los materiales aglomerados se llaman flóculos. Las partículas coloidales, además de ser micrométricas, tienen carga eléctrica, lo que provoca la repulsión entre ellas; este hecho impide o hace muy difícil la sedimentación o la floculación. La desestabilización de las cargas de los coloides se neutraliza utilizando sustancias coagulantes y, una vez neutralizadas, se produce la floculación. Los flóculos producidos se pueden sedimentar, pero es frecuente que queden algunos en suspensión como partículas no compactas (baja densidad aparente).

Las sustancias más usadas para los procesos de coagulación y floculación son las sales de aluminio (sulfato y cloruro), las sales de hierro (sulfato ferroso, sulfato férrico, cloruro) y los polímeros polielectrolíticos si se requiere una alta capacidad de rendimiento (poliamidas, poliacetatos). En caso de bajo régimen turbulento, se logra la interacción entre los sólidos suspendidos y los aditivos; posteriormente, los sedimentadores o decantadores de mantos de lodos que trabajan en régimen laminar hacen la separación. Las partículas o flóculos muy pequeños que no se sedimentan se retienen por medio de una operación unitaria de filtración, que consiste en el paso del agua a través de una capa porosa de arena (material filtrante) de composición granulométrica preestablecida, que retiene a estas partículas en suspensión. La arena que se emplea tiene un contenido mínimo de sílice del 98 % para soportar la compactación y un máximo de 5 % de sustancias orgánicas. Otros tipos de materiales filtrantes son el mármol y la tierra de diatomeas, entre otros; las partículas en suspensión que se detienen son aquellas cuyo tamaño es mayor a la porosidad del estrato filtrante. El agua filtrada aún contiene sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas, microorganismos, olores y color. Algunas de las sales inorgánicas (cationes As, Cd, Cr, etcétera) que pueden causar diferentes niveles de toxicidad a los usuarios deben ser removidas con aditivos de acción selectiva, los cuales se incorporan al tratamiento antes de agregar los floculantes para aprovechar la turbulencia que se requiere en la floculación. Los olores y el color se eliminan mediante adsorción con carbón activado. El control de los microorganismos en el tratamiento primario requiere un estudio más detallado, ya que estos no son buenos o malos por sí mismos; por el contrario, debe evaluarse si su presencia favorece o no a los objetivos del tratamiento. Un ejemplo de esta aplicación es el uso del cloro en el proceso de tratamiento de agua potable.