Introducción:
Este artículo analizará los coagulantes, floculantes y auxiliares coagulantes en el tratamiento de aguas residuales. Estos agentes son necesarios para la coagulación y sedimentación, flotación y acondicionamiento y deshidratación de lodos. También se necesitan ácidos y álcalis para ajustar el pH. Este artículo presentará estos agentes desde varias perspectivas, incluida una explicación conceptual, un análisis comparativo de los agentes de uso común y los factores que influyen en la selección del agente.
I. Explicación Conceptual
1. Coagulación
La función principal de la coagulación es comprimir la doble capa eléctrica o neutralizar la carga del agua, lo que hace que pequeñas partículas coloidales se desestabilicen y inicialmente se agreguen para formar finos flóculos (microflóculos). Este proceso se logra principalmente mediante coagulantes, típicamente sales inorgánicas cargadas positivamente.
2. Floculación
Principalmente a través de la adsorción, la formación de puentes y el re-arrastre de flóculos, los flóculos finos ya desestabilizados se vuelven coloidales, agregados y agrandados para formar flóculos grandes y densos (floculación) que se sedimentan o flotan fácilmente. Este proceso se logra principalmente mediante floculantes (generalmente polímeros de alto peso molecular).
3. Ayudas coagulantes
Estos son coagulantes agregados para mejorar el rendimiento de la coagulación/floculación o para superar desafíos específicos de calidad del agua. No son coagulantes o floculantes primarios en sí mismos, sino que cumplen una función suplementaria y potenciadora, como ajustar el pH, aumentar el peso de los flóculos, mejorar la estructura de los flóculos y oxidar sustancias que interfieren.
II. Clasificación y análisis comparativo de coagulantes de uso común.
(I) Coagulantes
Agentes Representativos:
Sulfato de Aluminio: El más tradicional y utilizado.
Cloruro de polialuminio (PAC): un coagulante polimérico inorgánico representativo.
Cloruro férrico (FeCl3): Una de las sales de hierro más utilizadas.
Sulfato Ferroso (FeSO4·7H2O): Requiere oxidación a hierro férrico en condiciones alcalinas para funcionar.
Sulfato poliférrico (PFS): un coagulante de sal de hierro polimérico inorgánico.
Mecanismo de acción: la hidrólisis produce cationes metálicos de alta-valencia (Al⁺, Fe⁺) y sus hidróxidos, que desestabilizan el coloide mediante compresión de doble-capa y neutralización de carga.
Análisis comparativo:
PAC/PFS: en comparación con el sulfato de aluminio/sales férricas tradicionales, ofrecen ventajas como dosis reducida, formación de flóculos rápidos y densos, excelente rendimiento de sedimentación, un rango de pH más amplio (el PAC es particularmente efectivo en el rango neutro), mejor adaptabilidad a bajas-temperaturas, aluminio/hierro residual relativamente bajo y baja corrosividad (PAC). Los costos son generalmente más altos que los de las sales férricas/aluminio tradicionales, pero debido a su alta eficiencia, el costo general puede ser menor.
Sulfato de aluminio: Relativamente económico y con amplia experiencia en su aplicación. Sin embargo, su rango de pH efectivo es estrecho (pH óptimo 5,5-8, normalmente 6,5-7,5), rendimiento deficiente a baja temperatura, flóculos ligeros y sueltos, sedimentación lenta, gran producción de lodos y rendimiento de deshidratación promedio. El efluente puede contener altos niveles de aluminio residual (lo que podría generar problemas de salud).
Sales férricas (FeCl₃, FeSO₄): forman flóculos más pesados y densos que las sales de aluminio, se sedimentan más rápido y tienen un amplio rango de pH (FeCl₃ es efectivo a pH 4-12, mientras que FeSO₃ requiere oxidación para ser efectivo). Se adaptan bien a las bajas temperaturas y son excelentes para eliminar color y sulfuros. Sin embargo, son altamente corrosivos (especialmente FeCl₃) y el agua tratada puede teñirse (amarilla o roja). El uso de FeSO₄ es incómodo (requiere oxidación) y el residuo de hierro efluente puede exceder el estándar (provocando problemas de manchas).
(II) Floculantes
Agentes Representativos:
Polímeros orgánicos sintéticos (PAM): El PAM se puede dividir en tres tipos: poliacrilamida aniónica, comúnmente utilizada para coagulación y sedimentación, con cadenas moleculares cargadas negativamente; poliacrilamida catiónica, utilizada para el acondicionamiento y deshidratación de lodos, con grupos cargados positivamente como las sales de amonio cuaternario; y poliacrilamida no iónica.
Polímeros orgánicos naturales modificados: los ejemplos incluyen almidón modificado y quitosano (catiónico).
Mecanismo de acción: los grupos activos (con carga negativa, positiva o neutra) de la cadena del polímero se adsorben en múltiples partículas desestabilizadas o microflóculos, conectándolos a través de "puentes de adsorción" para formar flóculos grandes y densos. La acción re-reentrenadora de la cadena polimérica también ayuda a capturar partículas finas.
Análisis comparativo:
PAM catiónico: más ampliamente utilizado en el tratamiento de agua, particularmente para coloides cargados negativamente y sólidos suspendidos (la mayoría de las partículas de aguas residuales tienen carga negativa). No sólo sirve de puente, sino que también tiene un efecto-neutralizador de carga. Es particularmente eficaz para mejorar el rendimiento de deshidratación de lodos. Su peso molecular suele ser alto (de millones a decenas de millones) y su dosis es extremadamente baja (normalmente de 0,1 a 10 ppm). Se debe tener cuidado al seleccionar la ionicidad y el peso molecular adecuados para evitar una sobredosis, que puede provocar una reestabilización del coloide (inversión de carga).
PAM aniónico: depende principalmente de los puentes de adsorción. Se utiliza comúnmente para tratar sólidos suspendidos con carga positiva o neutra o para mejorar aún más la floculación después del tratamiento con coagulantes inorgánicos (en cuyo caso los microflocs están cargados positivamente). Es más eficaz para aguas muy turbias.
PAM neutro: depende principalmente de la adsorción y la formación de puentes. Adecuado para sistemas eléctricamente neutros o con carga débil. Es más estable que el PAM iónico en condiciones ácidas (pH <4) o alta salinidad.
Polímeros modificados naturales: como el quitosano (catiónico), no-tóxicos y biodegradables, se utilizan a menudo en el tratamiento de alimentos y agua potable o en aplicaciones sensibles. Sin embargo, normalmente tienen pesos moleculares más pequeños, densidades de carga más bajas, son menos estables que el PAM sintético y pueden ser más caros.
(III) Coagulantes
1. Ajustadores de pH
Agentes representativos: Cal (Ca(OH)2), hidróxido de sodio (NaOH), carbonato de sodio (Na2CO3), ácido sulfúrico (H2SO4), dióxido de carbono (CO2).
Función: Ajusta el pH del agua cruda al rango donde el coagulante es más efectivo. Por ejemplo, el pH óptimo para las sales de aluminio es aproximadamente 6,5-7,5, mientras que el de las sales de hierro es más amplio (4-12) y el del PAC (5-9). La cal también elimina el fósforo y ayuda a la producción de coagulantes (aportando Ca²⁺).
2. Agentes ponderadores de flóculos
Agentes representativos: sílice activada, bentonita, caolín.
Función: Aumenta la densidad y el peso del flóculo, acelera la tasa de sedimentación y mejora la eficiencia del tanque de sedimentación. Especialmente adecuado para agua de baja-temperatura, baja-turbidez (flóculos ligeros difíciles de sedimentar) o agua de alta-turbidez (que forman flóculos más grandes y densos). La sílice activada también proporciona núcleos de adsorción y mejora la estructura del flóculo.
3. Oxidantes
Agentes representativos: Cloro (Cl2), hipoclorito de sodio (NaClO), permanganato de potasio (KMnO4), ozono (O3).
Función: Oxida y descompone la materia orgánica (como el ácido húmico) del agua que interfiere con la coagulación, destruyendo su estabilidad y propiedades protectoras; oxida y elimina sustancias reductoras (como Fe²⁺ a Fe³⁺); y desinfecta (indirectamente).
4. Otros
Polifosfatos/fosfatos: una pequeña cantidad puede estabilizar los iones de hierro en el agua y prevenir la precipitación; cantidades excesivas pueden interferir con la coagulación. La eliminación de fósforo requiere un control estricto.
Polímeros catiónicos de molécula pequeña: a veces se utilizan como precoagulantes o coadyuvantes de coagulación para mejorar la neutralización de carga.
III. Factores que influyen en la selección del agente
1. Calidad del agua
Tipo y concentración de contaminante: coloides, sólidos suspendidos, materia orgánica (DQO/DBO), color, turbidez, nutrientes (N/P), pH, temperatura, alcalinidad, dureza, salinidad, potencial redox, etc. Por ejemplo, las sales de hierro son mejores que las sales de aluminio para tratar aguas residuales con alto contenido de -fósforo; El PAC o las sales de hierro + sílice activada son más eficaces para tratar agua de baja-temperatura y baja-turbidez.
Propiedades de carga: Las partículas coloidales suelen tener carga negativa, lo que hace que los coagulantes y floculantes catiónicos (PAC, CPAM) sean particularmente eficaces.
2. Objetivos del tratamiento
Principal objetivo de eliminación: Sólidos suspendidos/turbidez, fósforo, DQO, color, metales pesados u otros.
Requisitos de Calidad del Efluente: Límites de SS, TP, color, iones metálicos residuales (Al/Fe), etc.
Características de los lodos: ¿Es fácil de sedimentar, concentrar y deshidratar?
3. Proceso de tratamiento
La sedimentación tradicional, la flotación, los clarificadores de alta-velocidad y la separación por membranas (para minimizar la contaminación de las membranas) tienen diferentes requisitos en cuanto al tamaño, la densidad y la resistencia de los flóculos. La flotación requiere flóculos más ligeros y flotantes.
4. Eficiencia Económica
Costo químico: Precio unitario y dosis.
Costo operativo: equipos (bombas, agitación, almacenamiento), consumo de energía, mano de obra y costos de tratamiento y eliminación de lodos (los diferentes productos químicos varían significativamente en el volumen de lodos y el rendimiento de deshidratación).
Costo general: los productos químicos de alta-eficiencia (como PAC y CPAM) pueden tener un precio unitario más alto, pero su dosis reducida, mejores resultados y menores costos de tratamiento de lodos pueden resultar en costos generales más bajos.
5. Gestión Operativa y Seguridad
Solubilidad, facilidad de preparación y dosificación, y estabilidad.
Corrosividad, toxicidad y seguridad de almacenamiento (p. ej., la fuerte corrosividad del FeCl₃ y el riesgo de explosión del polvo seco de PAM).
Impactos en la salud de los empleados y el medio ambiente.
IV. Conclusiones y recomendaciones
La selección de agentes coagulantes-floculantes en el tratamiento de aguas residuales es una decisión compleja y crítica. No existe un agente de aplicación universal. En la aplicación práctica, se deben cumplir los siguientes principios:
1. Diagnóstico preciso y tratamiento específico: se debe realizar un análisis detallado de la calidad del agua (como turbidez, DQO, TP, pH, temperatura y potencial zeta) para identificar claramente el problema central.
2. Coagulación seguida de floculación para lograr una eficiencia sinérgica: normalmente se agrega primero un coagulante (como PAC) para desestabilizar el coloide, seguido de un floculante (como CPAM) para promover el crecimiento y la sedimentación del flóculo. La combinación PAC + CPAM es actualmente el enfoque más utilizado.
3. Enfatice el uso flexible de coadyuvantes coagulantes: cuando el agente primario es ineficaz (p. ej., baja temperatura y baja turbiedad), la selección adecuada de un coadyuvante coagulante (como el ácido silícico activado) puede mejorar significativamente los resultados.
4. Fortalecer la validación experimental: las pruebas piloto son el medio más importante para detectar tipos de sustancias químicas, determinar la dosis y el pH óptimos y predecir la eficacia. Se deben realizar pruebas exhaustivas de agitación antes de la aplicación del proyecto.
5. Consideraciones sobre el costo del ciclo completo-: considere no solo el precio unitario del producto químico, sino también una evaluación integral de factores como la dosis, la efectividad del tratamiento, la producción de lodos y el rendimiento de deshidratación, y los costos de mantenimiento del equipo.
6. Centrarse en la seguridad y el medio ambiente: priorice los productos químicos que sean altamente efectivos, poco-tóxicos, bajos-residuos (por ejemplo, evite el uso de sales de aluminio en el agua potable) y fáciles de usar. Enfatizar la protección del operador y la seguridad del almacenamiento de químicos.