Principios de Química del Agua y Procesos de Tratamiento de Efluentes

Química del Agua y Parámetros de Calidad

En el estudio de la química del agua, es fundamental distinguir entre las diferentes especies químicas presentes:

• Ácidos fuertes: HCl, HNO₃, HBr.
• Bases fuertes: KOH, LiOH, NaOH.
• Ácidos débiles: HCO₃^-, H₂S, HS^-.
• Bases débiles: NH₃.

Iones y Alcalinidad

Los principales iones presentes en aguas incluyen cationes como Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ y aniones como HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-. La alcalinidad se define como la capacidad del agua para aceptar iones H⁺, actuando como una capacidad tampón.

Dureza del Agua

La dureza se debe principalmente a la concentración de Ca²⁺ y Mg²⁺. Su eliminación se puede representar mediante la reacción: CaCO₃ → Ca²⁺ + CO₃^2-. Para su medición, se emplean métodos de determinación directa de cationes por absorción atómica o cromatografía iónica.

Clasificación de la dureza (meq/L):

• Blanda: < 1
• Moderada: 1 - 3
• Dura: 3 - 6
• Muy dura: > 6

El ablandamiento es el tratamiento específico para reducir la dureza; comúnmente se añade cal para precipitar el calcio en forma de carbonato cálcico. Por otro lado, la conductividad mide la capacidad de la disolución para transportar corriente eléctrica a través del movimiento iónico.

Otros Componentes y Parámetros Químicos

• Sílice (SiO₂): Es un compuesto no iónico que puede causar incrustaciones críticas en calderas.
• Proteínas: Compuestos orgánicos que contienen C, H, O, N, P y S.
• DQO (Demanda Química de Oxígeno): Cantidad de oxígeno necesaria para oxidar la materia orgánica mediante el oxidante químico dicromato potásico (K₂Cr₂O₇). Unidades: mg O₂/L.
• DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno): Oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica mediante la acción de bacterias.
• Nitrificación: Proceso necesario para eliminar el nitrógeno amoniacal (N-NH₄).
• Eliminación de Fósforo: Requerida para prevenir procesos de eutrofización.

Procesos de Tratamiento Físico-Químico

Pretratamiento y Homogenización

• Eliminación de sólidos gruesos (> 1 mm): Uso de rejas (6 – 40 mm) y tamices (0.5 – 6 mm).
• Separador de arenas: Eliminación de partículas pesadas.
• Tanque de Homogenización: Su objetivo es minimizar la variabilidad horaria y diaria del caudal y la concentración del vertido industrial. El parámetro clave de diseño es el TRH (Tiempo de Retención Hidráulica).

Decantación y Sedimentación

El objetivo principal es la máxima eliminación de sólidos suspendidos sedimentables (SSsedim). Los tipos de decantación incluyen:

1. Discreta.
2. Floculenta (concentraciones > 50 mg/L, se usa sistema batch para determinar velocidad).
3. Zonal.
4. Por compresión.

Los parámetros de diseño del sedimentador son Q/A (carga superficial) y TRH. Cabe destacar que los coloides no sedimentan por sí solos. El rendimiento suele oscilar entre el 60-90% (siendo mayor en sólidos inorgánicos).

Coagulación y Floculación

Objetivo: Máxima eliminación de coloides.

• Fundamento: Los coloides poseen altas cargas negativas que generan repulsión, impidiendo su agrupación.
• Coagulación: Adición de reactivos con cationes que neutralizan las cargas negativas, formando microflóculos. Requiere una mezcla rápida (20-60 segundos) con agitación fuerte.
• Floculación: Aglomeración de microflóculos facilitada por hidróxidos. Requiere agitación lenta durante 15-45 minutos. El pH óptimo suele estar entre 6 y 7.4.

Filtración y Tecnologías de Membrana

La filtración puede ser granular, de soporte mecánico o por membranas. Se rige por la fórmula de velocidad de filtración: Vfiltr(Q) = P / (nu * R * A). El mantenimiento incluye lavados a contracorriente.

• Filtro lento: Ciclos de 2 a 6 meses.
• Filtro rápido: Ciclos de 10 a 60 horas.

Clasificación de Membranas según Tamaño de Poro

Permiten una eliminación del 100% de sólidos suspendidos (X) y entre 60-90% de coloides (Xc):

• Microfiltración: 0.1 - 1 µm.
• Ultrafiltración: 0.01 - 0.1 µm.
• Nanofiltración: 0.001 - 0.01 µm.
• Ósmosis Inversa: < 0.001 µm.

Los parámetros de diseño fundamentales son la PTM (Presión Transmembrana) y la relación Q/A.