CALIDAD Y POTABILIZACIÓN DE AGUAS PARA CONSUMO HUMANO – 2010
Coordinador del curso: Msc. Ing. Dani Danilo lo Ríos, Ríos, Uruguay Uruguay d
[email protected]) (
[email protected]) 1
INDICE GENERAL DEL CURSO 2010
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE FUNDAMENTOS DE QUÍMICA APLICADA A LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN POTABILIZACIÓN DE AGUA AGUA PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN LA CALIDAD DEL AGUA TECNOLOGÍAS DE POTABILIZACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS SUBTERRÁNEAS TOMAS DE AGUAS SUPERFICIALES PROCESOS UNITARIOS DE POTABILIZACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES
8.
7.1 COAGULACIÓN COAGULACIÓN 7.2 FLOCULACIÓN 7.3 SEDIMENTACIÓN 7.4 FILTRACIÓN 7.5 DESINFECCIÓN
CORRECCIÓN CORRECCIÓN DE pH y ALCALINIDAD 2
INDICE GENERAL DEL CURSO 2010
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE FUNDAMENTOS DE QUÍMICA APLICADA A LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN POTABILIZACIÓN DE AGUA AGUA PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN LA CALIDAD DEL AGUA TECNOLOGÍAS DE POTABILIZACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS SUBTERRÁNEAS TOMAS DE AGUAS SUPERFICIALES PROCESOS UNITARIOS DE POTABILIZACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES
8.
7.1 COAGULACIÓN COAGULACIÓN 7.2 FLOCULACIÓN 7.3 SEDIMENTACIÓN 7.4 FILTRACIÓN 7.5 DESINFECCIÓN
CORRECCIÓN CORRECCIÓN DE pH y ALCALINIDAD 2
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8- CO CORR RREC ECIÓ IÓN N DE pH Y ALCALINIDAD PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO EN MATERIA DE AGUAS ÁREA TEMÁTICA: ABASTECIMIENTO Y SANEAMIENTO
Calidad lidad y p ot abiliza abilización ción de agu a gu as para CURSO: Ca c o n s u m o h u m a no no 27 de septiembr e al 1 de octub re de 2010 2010 Cartagena de Indias, Colo Colo m bia
Coordinador del curso: Msc. Ing. Danil Danilo o Ríos, Ríos, Uruguay Uruguay (
[email protected]) d
[email protected])
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INTRODUCCIÓN El pH y la alcalinidad juegan un papel fundamental en la potabilización de aguas. La corrección de dichos parámetros, se realiza mediante la dosificación de productos químicos. Por ejemplo, la remoción de TOC (Carbono Orgánico Total), cuya presencia es un precursor de la formación de trihalometanos y otros subproductos de la desinfección, se produce con mayor eficiencia a valores de pH inferiores a los tradicionalmente usados durante la coagulación. Conviene para esos casos dosificar un ácido (generalmente ácido sulfúrico) previo a la coagulación, para que luego de aplicado el coagulante, el pH se sitúe en el valor adecuado.
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En muchas instalaciones se aplican alcalinizantes tales como carbonato de sodio, soda o cal hidratada para obtener a la salida de la planta los niveles de pH requeridos por las normas. El proceso de desinfección con cloro libre también depende del pH pues la presencia de ácido hipocloroso predomina a valores de pH por debajo de 7,0. En conjunto, el pH y la alcalinidad son dos parámetros fundamentales para el proceso de coagulación. Mediante ensayos de jarras es posible determinar el valor de pH obtenido luego de aplicado el coagulante, para el cual el proceso se desarrolla en forma más eficiente, llamado “pH óptimo de coagulación” .
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La alcalinidad es necesaria para la formación de los precipitados de hidróxido de aluminio y de hierro que se forman durante la coagulación por “barrido”. Debe existir alcalinidad “suficiente” en el agua previo a la adición del coagulante, de lo contrario el proceso no se desarrolla totalmente. La principal característica de la alcalinidad es su capacidad amortiguadora para resistir los cambios de pH. Por ejemplo, al dosificar sulfato de aluminio al agua se produce una disminución del pH. Como se verá, esa variación es menor para mayores valores de alcalinidad del agua bruta. Para la remoción de turbiedad con sulfato de aluminio, el pH final debe estar en el entorno de 6,0 a 6,8 para que el proceso sea más eficiente. Cuando el pH es elevado, puede ser necesario dosificar ácido para no tener que dosificar sulfato de aluminio en exceso para bajar el pH a los rangos requeridos. En cambio, cuando el agua bruta tiene valores bajos de alcalinidad y pH, se puede aplicar un alcalinizante para corregir dichos parámetros.
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Cálculo del efecto de la dosificación de ácidos o bases Los valores iniciales de alcalinidad pH, influyen sobre el efecto que sobre este último parámetro tienen la dosificación de un ácido o base en al agua. Intervienen también otros factores secundarios como los Sólidos Totales Disueltos (TDS) y la temperatura. La hipótesis fundamental que se adopta para determinar el efecto que produce sobre el pH y la alcalinidad del agua la adición de un ácido o base, es que el Carbono Inorgánico Total (CT) permanece constante, lo cual es válido siempre que: • • • •
No exista intercambio e CO 2 entre el agua y la atmósfera No se agregue CO2 intencionalmente al agua No exista precipitación de CaCO3 La contribución en la alcalinidad de otras especies químicas (como fosfatos por ejemplo) sea despreciable
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Estas hipótesis son en general válidas en la mayoría de las plantas de tratamiento dado la baja relación de área expuesta a la atmósfera en relación con el volumen de agua. Ya fue visto que la expresión de alcalinidad está dada por: Alc (equivalentes /l) = HCO 3- + 2 CO3= + OH- - H+ Alc (mg/l CaCO3) = Alc (eq/l) 50.000
En donde HCO3- es la concentración de iones bicarbonato en moles /l, CO3= es la concentración de iones carbonato en moles /l, OH- es la concentración de iones hidroxilo en moles /l, y H+ es la concentración de iones hidrógeno en moles /l.
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Las concentraciones en el agua de HCO3-, CO3= y OH- están siempre en equilibrio con las concentraciones de ácido carbónico (H2CO3) e iones H+, de acuerdo con las siguientes reacciones y ecuaciones de equilibrio: H2CO3 ↔
HCO3-
HCO3 ↔ CO3 + -
=
+
H+
H+
H2O ↔ OH- + H+ pH = - Log ( 1 H+ )
1
H
1
H
H 2CO3
K 2
1
HCO3
1
K 1
2
OH-
CO3 HCO3
1
1
H+ = Kw
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Los parámetros 1 y 2 son coeficientes de actividad para iones monovalentes y bivalentes respectivamente, y se pueden determinar en función de los sólidos disueltos totales de acuerdo a las siguientes expresiones desarrolladas empíricamente para TDS ≤ 200 mg/l (Snoeyink & Jenkins, 1980, en Najm Issam, 2001): 0.0025 TDS
1
10
0.0100 TDS
2
10
TDS son los sólidos totales disueltos en mg/l Para concentraciones de TDS de hasta 400 mg/l los autores estiman errores inferiores al 5 %.
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Las constantes K1, K2 y Kw dependen de la temperatura (Merrill & Sanks, 1978, en Najm Issam, 2001), y su variación se puede observar en la siguiente tabla: T (ºC)
K1
K2
Kw
5 10 15 20 25
10-6.52 10-6.46 10-6.42 10-6.38 10-6.35
10-10.56 10-10.49 10-10.43 10-10.38 10-10.33
10-14.74 10-14.54 10-14.35 10-14.17 1014.00
K1 = 7.19019x10-9 K2 = 9.55801x10-13
T + 2.70642x10-7 T + 2.27661x10-11
Kw = 1.216186x10-5 e0.08519565 T
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El Carbono Inorgánico Total (CT), que permanece constante como se indicó, es la suma todas las especies inorgánicas de carbono presentes: CT = = HCO3- + CO3= + H2CO3 Operando con expresiones anteriores, es posible calcular CT en función de la alcalinidad y el pH: K w
Alc HCO3 (eq/l)
50.000 1
1
10
10
pH
pH
2 K 2 2 10
1
1
CO3 (eq/l)
1
2
pH
50.000
K 2
10
pH
1
1
10
K w
1
10 K 1
pH
50.000 1
1
10
10 pH
2 K 2 2
pH
10
1 1 pH
10
pH
pH
2 K 2 2
Alc H 2CO3 (eq/l)
K w
Alc
10
1 1 pH
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K w
Alc C T (mol/l)
1
1
10
pH
K 1
1 2
K 2
10
50.000
pH
1
1
10
10 pH
2 K 2 2
pH
10
1 1 pH
Dado que los valores iniciales de pH y alcalinidad son en general conocidos, es posible calcular mediante la expresión anterior, el valor inicial de CT, y bajo la hipótesis de que permanece constante, se obtiene la siguiente expresión de la cual son incógnitas los valores finales de pH y alcalinidad: CTi = CTf (Alcf , pHf)
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CASO 1: Dosificación de ácido sulfúrico Se desea co no cer la d os is de ácid o su lfúric o n ecesaria para bajar la alcalinidad a un v alor d eterm inado, o a un v alor d e pH deseado . En este ejemplo, calcular la dos is para dos casos : a) B ajar la alcalin id ad a 70 m g/l CaCO3 b) Bajar el pH a un v alor de 7.0 Las car acteríst ic as del ag ua b ru ta so n: Alc alinidad Total = 100 m g/l CaCO 3 pH = 7.8 TDS = 100 m g/l Tem p er at u r a = 18 ° C
a) Al adicionarse ácido sulfúrico al agua, esta se ioniza y se producen iones hidrógeno que disminuyen el pH, lo cual depende básicamente de la alcalinidad inicial:
H2SO4
2H+ + SO4=
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Al adicionar 1 mol de H 2SO4 se adicionan 2 moles de H +. La dosis que se aplique de ácido se refleja en un cambio de alcalinidad, que está dada por la cantidad de iones H+ que se agreguen: Alc (equivalentes /l) = HCO 3- + 2 CO3= + OH- - H+ Alcalinidad (eq/l) = moles/ litro de H + adicionados Moles de H+ adicionados = 2 Moles de H 2SO4 adicionados
Moles/l de H 2 SO4 adicionado
Dosis (H 2SO 4 ) (g/l) P.M.H 2SO 4 (g/mol)
(mol/l)
moles /l de H + adicionados = 2 (Dosis (mg/l H 2SO4)/1000) / 98 Δ Alc (eq/l)
Δ Alc
(mg/l CaCO 3 ) 50.000
2 Dosis /1000 98
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Dosis (mg/l H2SO4) = (Alc. inicial – Alc. final) 0,98 Por lo tanto, conociendo la alcalinidad final del agua, luego de dosificar ácido, es posible determinar mediante la expresión anterior la dosis buscada. Dosis (mg/l H2SO4) = (100 - 70) 0,98 = 29,4 mg/l
b) Utilizando las ecuaciones correspondientes, se calculan los coeficientes 1 y 2 y los coeficientes K1, K2 y Kw: = 0.9441 2 = 0.7943 K1 = 4.00065 x 10 -7 K2 = 3.99705 x 10 -11 Kw = 5.63638 x 10 -5 1
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Con los valores iniciales de pH y alcalinidad se calcula el valor de C T: CT = 0,00207 mol/l. Recurriendo a la expresión de CT, aplicada a las condiciones finales, se despeja la única incógnita que es la alcalinidad final: K w
Alc C T (mol/l)
1
1
10
pH
K 1
1 2
50.000
K 2
10
pH
1
1
2 K 2
C T 1
Alc. final (mg/l CaCO 3 )
2
50.000 1
1
10
10
K 1
Alcalinidad final = 83,7 mg/l CaCO 3
1 2
1
2 K 2
1 pH f
pH f
pH
10
2
10
1 pH
K w K 2
10
pH f
1
10
pH
10
pH f
10
pH f
1
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Luego, con la alcalinidad final es posible calcular la dosis requerida de ácido sulfúrico: Dosis (mg/l H2SO4) = (Alc. inicial – Alc. final) 0,98 Dosis (mg/l H2SO4) = (100 – 83.7) 0,98
Dosis = 16 mg/l H2SO4 Si se plantea el mismo problema, pero para una alcalinidad inicial de 180 mg/l de CaCO 3, se obtiene como resultado una dosis de 29 mg/l de ácido sulfúrico, lo cual pone en evidencia el carácter “amortiguador” de la
alcalinidad frente a los cambios de pH
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CASO 2: Determ inación del p H de c oagu lación Calcular el pH final del agua, luego de aplicar una dosis de 50 mg/l de sulfato de aluminio, para las siguientes características del agua bruta: Alcalinidad Total = 100 mg/l CaCO3 pH = 7,8 TDS = 100 mg/l Temperatura = 18°C
La dosificación de sulfato de aluminio implica un descenso de alcalinidad, de modo que: 1 mg/l de Al2(SO4)3.14 H20 consume 0,5 mg/l de alcalinidad como CaCO 3 Por lo tanto, una dosis de 50 mg/l de sulfato de aluminio consume 25 mg/l de alcalinidad, y la alcalinidad desciende a 75 mg/l de CaCO 3
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Para TDS = 100 mg/l se realizan las siguientes determinaciones: 1 = 0.9441 2 = 0.7943 K1 = 4.00065 x 10 -7 K2 = 3.99705 x 10 -11 Kw = 5.63638 x 10 -5 La siguientes ecuación, para las condiciones iniciales de pH y alcalinidad, permite calcular el valor de C T: K w
Alc C T (mol/l)
1
1
10 K 1
pH
1 2
K 2
10
50.000
pH
1
1
10
pH
pH
2 K 2 2
CT = 0.00207 mol /l
10
10
1 1 pH
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Planteando la expresión anterior para las condiciones finales, se tienen como datos la alcalinidad final y C T, y la única incógnita es el pH final. No es posible despejar analíticamente el pH final, recurriendo a métodos iterativos, se llega al siguiente resultado: pH final = 6,79 La variación de pH es 1,01 unidades. Si se plantea el mismo problema para una alcalinidad inicial de 55 mg/l de CaCO3, se obtiene un pH final de 6,42, que significa una variación de 1,38 respecto al pH inicial. Lo cual comprueba también el efecto amortiguador de la alcalinidad respecto a los cambios de pH.
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CASO 3: Calcu lar la do sis n ecesaria de alcalinizant e para elevar a valor es deseado s el pH y la alcalinid ad Determinar la dosis necesaria de cal hidratada para elevar : a) La alcalinidad total a 80 mg/l CaCO3 b) El pH a 7,5 Agua Bruta: Alcalinidad Total = 60 mg/l CaCO3 pH = 6.8 TDS = 100 mg/l Temperatura = 18°C
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a) El aumento de alcalinidad está dado por la cantidad de iones OH- que se agreguen: Alc (eq/l) = Moles/l de OHagregados Moles/l de alcalinizante agregados
Dosis Alcalinizante (mg/l) P.M.Alcalinizante (g/mol) 1000
Cada mol de alcalinizante, aporta tantos moles de OHcomo el cociente entre su PM y PE. Por ejemplo: 1 Mol de NaOH aporta 1 mol de OH (PM/PE = 1) 1 Mol de Ca(OH)2 aporta 2 moles de OH (PM/PE = 2) Moles/l de OH - agregados
Dosis Alcalinizante (mg/l) P.M. Alcalinizante P.M.Alcali nizante 1000
Alc (eq / l ) Moles/l de OH - agregados
P.E. Alcalinizante
Dosis Alcalinizante (mg/l) P.E. Alcalinizante 1000
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Por otro, lado se tiene que: Alcalinidad (eq / l )
Alc (mg / l ) PE CaCO3 1000
Alcalinidad (mg/l CaCO3 ) P.E. CaCO3 1000 Dosis Alcalinizante (mg/l) P.E. Alcalinizante 1000
Por lo tanto, el aumento de alcalinidad que produce la dosificación de un alcalinizante, está dado por la siguiente expresión: Δ Alc (mg/l CaCO 3 )
Dosis de alcaliniante (mg/l)
P.E. CaCO 3 P.E. Alcalinizante
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Si se aplica cal hidratada (Ca(OH)2 ) como alcalinizante: P.M. Ca(OH)2 = 74 g/mol P.E. Ca(OH)2 = 37 g/eq Dosis de alcaliniante (mg/l)
Δ Alc
P.E. alcalinizante P.E. CaCO 3
Dosis = 14,8 mg/l de Ca(OH) 2 b) La dosis de cal hidratada para elevar el pH a 7,5 surge de la siguiente ecuación, que tiene como incógnita adicional la alcalinidad final Δ Alc (mg/l CaCO 3 )
Dosis de alcaliniante (mg/l)
P.E. CaCO 3 P.E. Alcalinizante
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Para TDS = 100 mg/l, se calcula: 1 = 0.9441 2 = 0.7943 K1 = 4.00065 x 10 -7 K2 = 3.99705 x 10 -11 Kw = 5.63638 x 10-5 Con los valores iniciales de pH y alcalinidad se calcula CT mediante la siguiente expresión: K w
Alc C T (mol/l)
1
1
10 K 1
pH 1 2
K 2
10
50.000
pH
1
1
10
pH
pH
2 K 2 2
CT = 0.00165 mol /l
10
10
1 1 pH
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Con la siguiente ecuación se calcula la alcalinidad final, conocido el pH final y el valor de C T: 2 K 2
C T 1
Alc. final (mg/l CaCO 3 )
2
50.000 1
1 10
K 1
pH f
10
1 pH f
K w
1 K 2 2 10
pH f
Alcalinidad final = 76,8 mg/l CaCO3 Dosis (mg/l Ca(OH)2) = (76,8 – 60) x 37/50 Dosis = 12,4 mg/l Ca(OH) 2
1 10
pH f
10
pH f
1
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CASO 4: Calcular el pH d el agu a luego d e aplicar u na do sis con oc ida de alcalinizante Calcular el pH del agua luego de dosificar 10 mg/l de soda (hidróxido de sodio), para las siguientes características iniciales: Alcalinidad Total = 60 mg/l CaCO3 pH = 6.8 TDS = 100 mg/l Temperatura = 18°C
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Para TDS = 100 mg/l se calcula: 1 = 0.9441 2 = 0.7943 K1 = 4.00065 x 10-7 K2 = 3.99705 x 10-11 Kw = 5.63638 x 10 -5 Con los valores iniciales de pH y alcalinidad se calcula el valor de CT = 0.00165 mol /l El P.E. del NaOH es 40 g/eq P.E. CaCO3/P.E. NaOH = 50/40 = 1,25 1 mg/l de NaOH eleva 1,25 mg/l de CaCO3 la alcalinidad. Al dosificar 10 mg/l, la alcalinidad se eleva en 10 mg/l 1,25 = 12,5 mg/l de CaCO 3 La alcalinidad final es 72,5 mg/l de CaCO3
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K w
Alc C T (mol/l)
1
1
10 K 1
pH
1 2
K 2
10
50.000
pH
1
1
10
10 pH
2 K 2 2
pH
10
1 1 pH
Aplicando la ecuación anterior para las condiciones finales, la única incógnita es el pH final, dado que la alcalinidad final y CT son conocidos. No es posible en este caso despejar analíticamente la incógnita buscada, por lo que se debe recurrir a métodos iterativos para obtener el pH final. pH final = 7,23 (el PH se eleva 0,43 puntos) Resolviendo el mismo problema para una alcalinidad inicial de 110 mg/l de CaCO3, se obtiene un pH final igual a 7.01, logrando elevar solamente 0.21 puntos el valor del pH.
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EJEMPLO En u na p lanta po tabilizado ra se están d os ificand o 50 m g/l de s u lf a to d e al u mi n i o A l 2 (SO4) 3 .18H 2 O. Ens ayos de jarra determ inaron qu e el pH óptim o d e coagu lación es 6,5. Para m antener la do sis de su lfato de alum inio , qu e dos is d e ácid o su lfúrico debe aplicarse para coagular al pH óptim o? Determ inar tam bi é n la alc alin id ad fin al d el ag u a Carac ter ís tic as d el agu a br ut a: Alcalinidad Total = 95 mg/l CaCO 3 pH = 7,8 TDS = 100 mg/l Temperatura = 20°C
Solución: La dosis de sulfato de aluminio aplicada baja la alcalinidad a 72,5 mg/l CaCO3 y el pH a 6,81. Finalmente, para bajar el pH a 6,5 debe aplicarse una dosis de ácido sulfúrico de 15,2 mg/l, y la alcalinidad baja a 57 mg/l CaCO3