Coagulación y floculación en el tratamiento de aguas residuales

29 de febrero de 2024 (Lectura 13 mins)
Jordi Fabregas

1. Introducción al proceso de coagulación y floculación

Las aguas residuales acostumbran a contener partículas sólidas de diversos tamaños y orígenes que contribuyen a su contaminación. Estos sólidos pueden ser de tipo orgánico o inorgánico, y su tamaño puede variar desde fracciones de micra hasta milímetros. Se conocen como Solidos Suspendidos Totales (SST) y su presencia puede causar obstrucciones y daños en las instalaciones por donde fluye el efluente. Cuando son de naturaleza orgánica, también pueden producir biofilms, y ser focos de fermentación e infecciones.

Así como en las aguas residuales urbanas es habitual encontrar restos fecales, detergentes, y demás efluentes domésticos, las aguas residuales industriales suelen contener contaminantes procedentes de lavados de productos, residuos de producción, lavados de circuitos e instalaciones, productos químicos, etc.          

Los sólidos suspendidos totales se corresponden con los sólidos no disueltos que se mantienen dispersos en el seno del fluido y que no tienden a decantar. Se presentan en forma de suspensión o en forma coloidal, debido a su carga eléctrica. Su concentración se mide en mg/l (ppm).

CaracterísticasSuspensionesDisolucionesColoides
Tamaño de partícula≥1000nm0,1 – 1 nm1 – 1000 nm
Presenta sedimentaciónSiNoNo
VisibilidadTranslúcidas u opacasTransparentesOpacos o transparentes
Separación por filtraciónSiNoNo
Presentan efecto TyndallNo aplicaNoSi
Fases presentes212

En una disolución todo el fluido es homogéneo y no se pueden distinguir los sólidos disueltos, mientras que en una suspensión los sólidos son evidentes, filtrables y tienden a decantar. En una dispersión coloidal, los sólidos no son filtrables y solo son apreciables a simple vista por el efecto Tyndall.         

El efecto Tyndall es una técnica visual que permite detectar la dispersión de la luz por partículas coloidales. Si una solución coloidal es iluminada con un haz de luz, las partículas la dispersan y hacen que la mezcla parezca turbia u opaca.

Efecto Tyndall

2. ¿Qué es la materia coloidal?

La formación de coloides se produce debido a que los micro sólidos en suspensión en el seno de soluciones acuosas no se pueden separar por sedimentación y filtración. Se trata de un equilibrio delicado entre fuerzas electrostáticas, tamaño de partícula y condiciones del medio ambiente. Estos factores determinan la estabilidad y las propiedades de los coloides en solución. Es un proceso complejo que depende de:

Tamaño de partícula: Las partículas coloidales tienen un tamaño que está entre las partículas más grandes y las moléculas más pequeñas. El tamaño influye en la estabilidad del coloide. Las partículas más pequeñas tienden a formar coloides más estables.

  • Carga eléctrica: Las partículas coloidales tienen una carga eléctrica en su superficie debido a la adsorción de iones. La repulsión electrostática entre partículas cargadas del mismo signo evita que se agreguen. La carga superficial se puede modificar mediante la adición de electrolitos o surfactantes.
  • Naturaleza del disolvente: La polaridad del disolvente afecta la formación de coloides. En disolventes polares como el agua, las partículas coloidales tienden a dispersarse más fácilmente.
  • Temperatura: La temperatura afecta a la solubilidad y la estabilidad de los coloides. Algunos coloides pueden coagular o precipitar a temperaturas extremas.
  • Naturaleza de las partículas: Las partículas coloidales pueden ser orgánicas o inorgánicas. La presencia de grupos funcionales en las partículas también influye en la formación de coloides.
  • Agitación y mezcla: La agitación mecánica favorece la dispersión de partículas y la formación de coloides. La mezcla adecuada es esencial para lograr una distribución uniforme.

Muchos coloides se forman debido a la peptización o defloculación. Es un proceso químico mediante el cual se convierte un precipitado en coloide al agitarlo con un electrolito llamado agente peptizante. Este fenómeno se produce cuando las partículas coloidales tienen cargas eléctricas del mismo signo, que se repelen entre sí. Esto aparece por la agregación de un electrolito al sistema (por ejemplo, una solución concentrada de NaCl).

La peptización afecta negativamente a los procesos de sedimentación y filtración de los sólidos en suspensión en las aguas residuales

La medición de las cargas eléctricas superficiales en partículas coloidales es fundamental para comprender su comportamiento y estabilidad. A continuación, presentamos los métodos que más habitualmente se utilizan para evaluar estas cargas:

  • Efecto Tyndall: Según hemos indicado en el punto anterior, es un fenómeno que se aprecia a simple vista por refracción de la luz en las partículas.
  • Potencial Zeta: El potencial Zeta es una medida cuantitativa de la carga eléctrica en la doble capa eléctrica alrededor de las partículas coloidales. Se mide mediante técnicas como la electroforesis o la microscopía de fuerza atómica. La electroforesis implica aplicar un campo eléctrico a una solución coloidal y medir la velocidad de movimiento de las partículas. El potencial Zeta se calcula a partir de esta velocidad mediante unos aparatos denominados zetámetros. En esta medida se tiene en cuenta el pH del medio, que para aguas naturales se encuentra en valores de -14 a -30 mV a pH de 5 a 8. Cuanto más negativo sea este valor (mV) mayor será la carga eléctrica de las partículas. La microscopía de fuerza atómica permite visualizar y medir las fuerzas de repulsión o atracción entre partículas coloidales en una superficie sólida.
  • Turbidez: Es la única medida en continuo. Habitualmente se expresa en NTU (Nephelometric Turbidity Unit) y se puede establecer una correlación con la concentración de SST, aunque siempre es necesario obtener valores en el laboratorio para establecer la correlación matemática. Para medir este parámetro se utilizan unos instrumentos denominados turbidímetros.
  • Conductancia superficial: La conductancia superficial también proporciona información sobre las cargas eléctricas. Se basa en la distribución de iones en la doble capa eléctrica y evalúa cómo afecta el campo eléctrico. Si la conductancia es alta, se subestima el potencial Zeta.
  • Análisis de la doble capa eléctrica: La doble capa eléctrica es la región alrededor de una partícula coloidal donde las cargas eléctricas interactúan con el medio circundante. Su estudio proporciona información sobre las cargas superficiales.

3. Proceso de coagulación y floculación de la materia coloidal

La coagulación y la floculación son procesos esenciales en el tratamiento de las aguas residuales, ya que permiten la separación de los sólidos en suspensión de naturaleza coloidal y de menor tamaño.

La coagulación es el proceso mediante el cual las partículas coloidales presentes en el agua se desestabilizan. Esto se logra neutralizando las cargas eléctricas en la superficie de estas partículas.    

Esta neutralización se consigue mediante los agentes coagulantes, que son generalmente sales metálicas cargadas positivamente. Ejemplos comunes de coagulantes son el sulfato de aluminio, policloruro de aluminio (PAC), el sulfato y el cloruro férricos.

Este proceso se desarrolla en una cámara con agitación rápida (aprox. 1500 rpm), con hélices tipo sabre, y con un tiempo de permanencia de unos 3 – 5 minutos.

El pH es importante para verificar una buena coagulación. El pH idóneo depende del tipo de coagulante a utilizar. Para pH tendientes a la acidez, se suele utilizar FeCl3, mientras que para pH de tendencia alcalina se suelen utilizar sales de aluminio tipo PAC, y para pH neutro se suele utilizar el Al2(SO4)3

Tras la coagulación, las partículas coloidales desestabilizadas se agrupan y forman pequeños flóculos que aún tienden a mantenerse en suspensión. Para aglutinarlos en flóculos de mayor tamaño que sean fácilmente separables, se adicionan sustancias floculantes (polielectrolitros), que son polímeros de cadena larga y alto peso molecular. Estos floculantes actúan como una red y reúnen los coágulos en grupos mayores, que son separables por decantación, flotación o filtración.

En ocasiones se pueden formar los denominados Pin Floc, también conocidos como “pin-point floc”. Es un fenómeno que se presenta en el contexto de tratamiento de aguas residuales y procesos de fangos activos, y se caracteriza por la formación de flóculos pequeños con una estructura en punta de alfiler. Estos flóculos son frágiles y presentan los siguientes problemas:

  • Tienen dificultades para decantar y asentarse en el fondo del tanque o clarificador.
  • Dificultad para separarse del seno del líquido y formar un manto denso en un flotador.
  • Tienden a romperse si se filtran tienden a romperse
  • El efluente tratado puede aparecer turbio debido a la presencia de estos sólidos.

Estos pinfloc se suelen generar en fangos viejos o en algunos vertidos industriales de características dispersantes. También suelen aparecer durante la puesta en marcha de las instalaciones de tratamientos de vertidos y desaparecen en el momento en que se estabiliza la floculación.

Las micelas coloidales están estrechamente relacionadas con los procesos de coagulación y floculación en el tratamiento de las aguas residuales.

Las micelas coloidales son agregados de moléculas con una parte hidrofílica y otra hidrofóbica (anfifílicas), que se forman en soluciones acuosas. Estas micelas tienen una estructura esférica o cilíndrica, donde las cabezas hidrofílicas están en la superficie y las colas hidrofóbicas se agrupan en el interior. Las micelas pueden transportar y mantener en suspensión sustancias insolubles en agua, como grasas y aceites, e incluso incrementar la solubilidad de ciertos contaminantes indeseados. Las micelas coloidales también pueden ser desestabilizadas por coagulantes, ya que las cabezas hidrofílicas de las micelas pueden interactuar con los iones del coagulante.

Durante la floculación, las micelas coloidales pueden absorberse en la superficie de los flóculos formados. Esto contribuye a la estabilidad de estos floculos y facilita su retención en los procesos de filtración o sedimentación.

Las micelas coloidales son agregados de moléculas anfifílicas cuya estabilidad depende de las cargas eléctricas en su superficie. Para medir la estabilidad de estas micelas se mide la interfaz partícula-líquido con el potencial Z, que es proporcional con la estabilidad del coloide.

Pruebas de coagulación y floculación

El «jar-test» es el ensayo más utilizado para la determinación y ajuste de reactivos coagulantes y floculantes a dosificar en el agua. Tiene la ventaja de realizarse en un aparato portátil que se puede utilizar en el punto de vertido. Se trata de una técnica fundamental en el tratamiento del agua en general y de las aguas residuales, en particular.

El ensayo se realiza en un equipo de laboratorio que contiene vasos de precipitados. Cada vaso representa una etapa del proceso de tratamiento del agua. Durante un «jar-test» se añaden diferentes dosis de coagulantes y floculantes a los vasos para simular las condiciones reales de tratamiento.

Procedimiento Jar-test

Dependiendo del coagulante a dosificiar, se ajusta el pH del vertido y se pone en marcha el agitador para homogeneizarlo.

A continuación, se adiciona el reactivo seleccionado, comenzando por pequeñas dosis, que se pueden ir incrementando hasta que se comienza a observar la presencia de pequeños flóculos. La agitación se realiza a velocidad rápida.

Acto seguido se dosifica el floculante seleccionado, que puede ser catiónico, aniónico. o no iónico, en función de la polaridad esperada en el conjunto de los coágulos que se obtienen. Los floculantes deben estar muy diluidos (aprox. 0,1%) por su elevada viscosidad y bajas dosificaciones.

Es habitual aportar más coagulante (10 – 20 ppm), que floculantes ( 0,5 – 2 ppm).

En la floculación, la agitación debe ser lenta para evitar la rotura de los flóculos formados.

Se observará la consistencia y la densidad de los flóculos formados que decantarán en el fondo del vaso.

Equipo Jar test para pruebas de coagulación y floculación

Es normal realizar varias pruebas con distintos coagulantes y floculantes para optimizar el proceso.

El aspecto del flóculo formado nos puede dar una idea de cuál será el mejor proceso de separación a aplicar. Si el flóculo es denso y precipita con facilidad, la decantación puede ser el proceso más adecuado, mientras que si tiene dificultad para precipitar o es muy esponjoso o graso, la tecnología más adecuada sería la flotación. En cualquier caso, esto no es más que un primer indicio a tener en cuenta a la hora de definir la línea de tratamiento más adecuada.

4. Separación de coloides mediante flotación DAF

Un Sistema de Flotación por Aire Disuelto (DAF) es una tecnología de gran eficiencia para el tratamiento de aguas residuales con presencia de coloides, una vez coagulados y floculados.

El DAF es un proceso de clarificación que utiliza microburbujas de aire para separar partículas coloidales y sólidos suspendidos del agua. Se basa en la capacidad de las burbujas de aire de adherirse a las partículas de micro sólidos y elevarlas a la superficie, formando una espuma flotante. Un sistema DAF es especialmente efectivo para eliminar aceites, grasas, sólidos en suspensión y materia floculada.

En un flotador DAF, el agua contaminada se introduce en un tanque de flotación, en el que se inyectan microburbujas de aire previamente presurizado. Estas microburbujas se expanden en el seno del líquido y se adhieren a las partículas coloidales, las cuales flotan hacia la superficie y forman una capa de espuma que es arrastrada hasta una tolva mediante un sistema barredor mecánico.

Frente al proceso convencional de sedimentación, la clarificación mediante un flotador DAF ofrece importantes ventajas, como una eliminación de sólidos suspendidos totales, aceites y grasas muy elevada (≥95%), y una concentración de MS en los lodos del orden del 3 – 4 %, frente al 1 % que se consigue habitualmente en el proceso de sedimentación.

Ante la creciente demanda de procesos que faciliten la reutilización de aguas residuales, la tecnología DAF ha experimentado una gran adopción, gracias a su eficacia para clarificar aguas que han de ser posteriormente tratadas por tecnologías de filtración por membranas.

El proceso de filtración por membranas es un método físico que permite separar moléculas de diferentes tamaños y características. Se basa en la utilización de membranas con permeabilidad selectiva para distribuir componentes en dos corrientes diferentes. El transporte a través de la membrana se efectúa por la acción de una fuerza impulsora, como un gradiente de potencial eléctrico, concentración o presión.

Algunas operaciones de separación por membranas incluyen:

  • Filtración: Utiliza membranas con poros de diferentes tamaños para separar partículas según su tamaño.
  • Microfiltración (MF): Se trabaja a baja presión para separar partículas de alto peso molecular, coloides en suspensión o sólidos disueltos.
  • Ultrafiltración (UF): Permite la separación de macromoléculas y coloides.              
  • Diálisis: Utiliza membranas semipermeables para eliminar sustancias no deseadas de una solución.

En el siguiente gráfico se aprecian los rangos de filtración que proporcionan los distintos tipos de membranas, así como la influencia negativa del material coloidal, que es causa del ensuciamiento y colmatación de las membranas.

El índice SDI (Silt Density Index) o índice de Fouling, permite medir la eficiencia de un sistema de separación de sólidos suspendidos totales. El cálculo consiste en hacer pasar una corriente del agua analizada a través de un filtro de 0,45 micras y 47 mm de diámetro, ubicado dentro de un soporte específico, a una presión constante (2,1 bar). En este ensayo se mide el tiempo empleado en llenar un recipiente de 500 cc, antes y después de dejar pasar agua durante 15 minutos a través del papel de filtro.

Índice SDI = (100 * (1 – (t1 / t2)) / T

Donde t2 = tiempo final en segundos, t1 = tiempo final en segundos y T = tiempo de medida en minutos.

Un valor de SDI considerado como adecuado para alimentar a membranas de UF es de 5 (aprox. 1 NTU), mientras que para NF y OI, los valores no deberían superar SDI = 3 (aprox.= 0,1 NTU). Actualmente existen membranas especiales (FR= Fouling resistence) para aguas residuales que toleran valores de SDI mayores (aprox. SDI =4 – 5) y altas concentraciones de DQO disuelta.

5. Conclusión

Los sólidos en suspensión (TSS), son los contaminantes más habituales que se encuentran en un agua residual. Muchos de estos sólidos están dispersos en forma coloidal, por lo que no precipitan ni se separan por filtración simple. En estos casos se hace necesario recurrir a los procesos de coagulación y floculación con el fin de desestabilizarlos y forman flóculos de tamaños y características adecuadas para su separación.

Las tecnologías utilizadas para clarificar las aguas residuales son habitualmente la decantación y la flotación. La flotación DAF aventaja en rendimiento a los procesos de sedimentación convencionales, además de que requiere un espacio menor para su implantación. La MS de los fangos separados mediante DAF es muy superior a la MS obtenida con sedimentadores, por lo que se considera más adecuada para poder reutilizar estas aguas residuales, que habrán de ser posteriormente sometidas a un tratamiento de membranas.

Bibliografía y consultas

Tecnología DAF aplicada en la industria de fabricación de papel para el uso de reciclaje de aguas residuales – Noticias – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

PPT – Paper PowerPoint Presentation, free download – ID:2632688 (slideserve.com)

Cuál es el impacto ambiental del consumo de papel – descúbrelo aquí (ecologiaverde.com)

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