Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio

Química orgánica. Tratamiento de aguas. Investigaciones científicas. Coagulantes metálicos. Inferencia estadística. Ensayos de tratabilidad. PH. Floculación. Plantas potabilizadoras. Sedimentación

  • Enviado por: Paula
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INTRODUCCIÓN

El agua es un recurso natural indispensable para el hombre. Se sabe que el origen de la vida estuvo en el agua, donde se desarrollaron los primeros organismos que, al evolucionar, pudieron colonizar la Tierra.

Las grandes civilizaciones humanas nacieron a orillas de los grandes cursos de agua, necesaria para la vida y la agricultura que fue su base primaria. Las milenarias culturas de China, la India, Mesopotamia, Egipto y Roma son ejemplos clásicos. Los pueblos de las culturas americanas también cumplieron con esta regla.

Con el tiempo la calidad del agua disponible, afectada por el crecimiento de los mismos núcleos urbanos y por otros factores externos, fue un factor decisivo para la búsqueda de agua lo más pura y limpia posible.

La historia del agua potable es muy remota. En Siria y Babilonia se construyeron conducciones de albañilería y acueductos para acercar el agua desde sus fuentes a lugares próximos a las viviendas. Los antiguos pueblos orientales usaban arena y barro poroso para filtrar el agua, también en Europa los romanos construyeron una red de acueductos y estanques e instalaron filtros para obtener agua de mayor calidad1. 

En el antiguo Egipto dejaban reposar el agua en vasijas de barro durante varios meses para dejar precipitar las partículas e impurezas, y mediante un sifón extraían el agua de la parte superior (decantación), en otras ocasiones incorporaban ciertas sustancias minerales y extractos vegetales para facilitar la precipitación de partículas y clarificar el agua (coagulación).

Las modernas Plantas de Potabilización nacieron a fines del siglo XIX cuando se detectó la relación estrecha entre el agua y las enfermedades hídricas. En la actualidad es considerada agua potable o más precisamente agua apta para el consumo humano, toda agua, natural o producida por un tratamiento de potabilización que cumpla con las Normas de calidad establecidas para tal fin. Estas Normas se basan en estudios toxicológicos y epidemiológicos, así como en consideraciones estéticas.

En el siglo XIX ya se utilizaba el sulfato de aluminio, en Holanda en 1880 B. Salbach2, construyó un sistema de sedimentadores con coagulación de sulfato de aluminio como pretratamiento para un sistema de filtros lentos. En el siglo XX se difundió mucho más este coagulante y su utilización era cada vez más frecuente, en Argentina por ejemplo su uso empezó en junio de 1.901; en Colombia en 1955; en Ecuador (Quito) en el año de 1952 y actualmente el sulfato de aluminio esta difundido en todo el mundo en el proceso de potabilización del agua.

Pero hace 25 años se descubrió la toxicidad del Aluminio sobre el sistema nervioso en ratas. Tras las primeras evidencias en animales de experimentación una serie de estudios han valorado el posible papel del aluminio en relación con la enfermedad de Alzheimer, sin que exista un consenso claro en la comunidad científica. Es por eso que Organizaciones Internacionales que se dedican a velar por el bienestar de la salud, señalan que el Sulfato de Aluminio, coagulante actualmente utilizado de manera generalizada, puede causar afecciones en la salud y sugieren limitar el uso de este1.

Etapa con el fin de brindar cada día un mejor servicio de abastecimiento de agua y de mejor calidad de la misma sin posibles riesgos para la salud, pretende estudiar el cambio del Sulfato de Aluminio coagulante actualmente utilizado en sus plantas de tratamiento de agua por el Cloruro férrico. Con el fin de conocer la factibilidad de cambiar el coagulante actualmente utilizado y sustituirlo, se realizaron ensayos de laboratorio para determinar si da mejores resultados el coagulante propuesto, como se trata de un tema nuevo y no se cuenta con mucha información la investigación se partió con las condiciones que actualmente funcionan las Plantas. Las pruebas de Laboratorio nos permitieron llegar a la conclusión de que en realidad el cloruro férrico no solo permite obtener mejores características del agua tratada sino que complementado con estudios hechos, es inocuo a la salud del hombre3. De ahí que se aplicó en una planta pequeña tomada como piloto para conocer si lo determinado en el laboratorio ocurría en la práctica, para conocer los inconvenientes que se pueden presentar con el fin de corregirlos.

EL ALUMINIO3

Identidad, propiedades físicas y químicas

El aluminio es un metal blanco plateado, dúctil y maleable. Pertenece al grupo IIIA de la Tabla Periódica, y en los compuestos suele encontrarse como AlIII. Forma cerca del 8% de la corteza terrestre y es uno de los metales comunes más reactivos. La exposición al agua, al oxígeno o a otros oxidantes conduce a la formación de una capa superficial de óxido de aluminio que confiere al metal una gran resistencia a la corrosión.

El aluminio posee una elevada conductividad térmica y eléctrica, baja densidad y gran resistencia a la corrosión. A menudo se alea con otros metales. Las aleaciones de aluminio son fuertes, ligeras y fácilmente susceptibles de conformación a máquina.

Fuentes de exposición humana y ambiental

El aluminio se libera en el medio ambiente tanto a través de procesos naturales como de fuentes antropogenias. Está muy concentrado en el polvo de suelos dedicados a actividades tales como la minería y la agricultura, y en las partículas generadas por la combustión del carbón. Los silicatos de aluminio (arcillas), son un importante componente de los suelos. Los procesos naturales son los que aportan con más aluminio al ambiente. . El aluminio movilizado por el hombre se forma en su mayoría de forma indirecta como resultado de la emisión de sustancias acidificantes. La principal materia prima utilizada para producir aluminio es la bauxita, que contiene hasta un 55% de alúmina (óxido de aluminio).

Usos

El metal tiene una gran variedad de usos, entre ellos la fabricación de materiales estructurales para los sectores de la construcción, el automóvil y la aviación, y la producción de aleaciones metálicas. Los compuestos y materiales de aluminio tienen también una amplia gama de usos, que incluyen la producción de vidrio, cerámica, caucho, conservantes de la madera, preparaciones farmacéuticas y tejidos impermeabilizantes. Los minerales de aluminio naturales, especialmente la bentonita y la zeolita, se emplean para depurar el agua, para refinar el azúcar, y en las industrias papeleras y de la fermentación. Algunos compuestos del aluminio tienen varios uso como:

Alumbre Como agente endurecedor y como acelerador para yeso, curtido y

tinte del cuero y (anteriormente) en lápices de labios.

Alúmina En tratamiento de agua y como acelerador para hormigón

En los barnices, para la impregnación de prendas textiles, en

cosméticos y como un intermedio en producción farmacéutica

Carbonato Producción de caucho, lubricantes, preservantes de la madera,

en cosméticos como un astringente; el producto anhidro se usa

como un catalizador, en la industria petroquímica;

ingrediente activo en antitranspirantes.

Fosfato Componente del cemento dental; antiácidos, aditivos de comida

Sulfato Se usa en purificación de agua como un floculante, en la producción

del papel.

Transporte, distribución y transformación en el medio ambiente

El aluminio es un metal ubicuo en el medio ambiente, donde se encuentra en forma de silicatos, óxidos e hidróxidos, combinado con otros elementos como el sodio y el flúor, y formando complejos con materia orgánica. No se halla como metal libre debido a su reactividad. Sólo tiene un estado de oxidación (+3) en la naturaleza. A valores de pH superiores a 5,5 los compuestos naturales de aluminio aparecen predominantemente en forma no disuelta como gibbsita (Al(OH)3) o como aluminosilicatos, excepto en presencia de grandes cantidades de material orgánico disuelto, que se une al aluminio y puede dar lugar a un aumento de la concentración del aluminio disuelto en lagos y cursos de agua. La movilidad del aluminio y su ulterior transporte en el medio ambiente dependen de varios factores, entre los que cabe mencionar el tipo de especies químicas, los cursos hidrológicos, las interacciones suelo-agua y la composición del sustrato geológico. La solubilidad del aluminio en equilibrio con la fase sólida Al(OH)3 depende en gran medida del pH y de agentes complejantes tales como fluoruros, silicatos, fosfatos y materia orgánica. La química del aluminio inorgánico en los suelos y los cursos de agua ácidos depende de la solubilidad de los minerales y de los procesos de intercambio y de mezcla de las aguas.

La acidificación del suelo libera aluminio disolviéndolo, y el metal llega así a las corrientes de agua. La movilización del aluminio por precipitación ácida permite que haya más aluminio disponible para captación por las plantas.

Niveles ambientales y exposición humana

El aluminio es uno de los principales constituyentes de varios componentes de la atmósfera, en particular del polvo procedente de suelos (tanto de fuentes naturales como de origen humano) y de partículas generadas por la combustión del carbón. En las zonas urbanas los niveles de aluminio en el polvo de la calle van de 3,7 a 11,6 µg/kg. Los niveles de aluminio en el aire varían desde 0,5 ng/m3 sobre la Antártica hasta más de 1000 ng/m3 en las zonas industrializadas3.

Las concentraciones de aluminio en las aguas superficiales y subterráneas son muy variables, dependiendo de factores geológicos y físico-químicos. El aluminio puede estar en suspensión o disuelto. Las concentraciones de aluminio disuelto en las aguas de pH neutro suelen ser bastante bajas, entre 1,0 y 50 µg/litro. En aguas más ácidas se alcanzan valores de hasta 500-1000 µg/litro. En condiciones de acidez extrema provocadas por el avenamiento ácido de minas se han medido concentraciones de aluminio disuelto de hasta 90 mg/litro.

La exposición humana no ocupacional al aluminio en el medio ambiente se produce principalmente a través de la ingestión de agua y alimentos, sobre todo de estos últimos. La ingesta diaria de aluminio con los alimentos y bebidas es en los adultos de entre 2,5 y 133 mg.Esto representa un 90%-95% de la ingesta total. El agua de bebida puede contribuir con unos 0,4 mg diariamente, según los valores de las actuales directrices internacionales, pero más probablemente se sitúa en torno a los 0,2 mg/día. La exposición pulmonar puede contribuir hasta con 0,04 mg/día. En algunas circunstancias, como la exposición ocupacional y el uso de antiácidos, los niveles de exposición pueden ser mucho mayores. No obstante, los seres humanos absorben al parecer sólo el 3% de la cantidad total de aluminio ingerida diariamente con el agua de bebida, una fuente relativamente secundaria en comparación con los alimentos.

Cinética y metabolismo

Ser humano

El aluminio y sus compuestos parecen ser mal absorbidos por los seres humanos, pero no hay estudios adecuados sobre la velocidad y el grado de absorción. Las concentraciones de aluminio en la sangre y la orina se han empleado como una medida fácilmente obtenible de la captación de aluminio, habiéndose observado niveles elevados en la orina de soldadores de aluminio y de productores de polvo de escamas de aluminio.

El mecanismo de absorción gastrointestinal del aluminio todavía no ha sido totalmente dilucidado. La variabilidad se debe a las propiedades químicas del elemento y a las diversas especies químicas formadas en función del pH, la fuerza iónica, la presencia de elementos competitivos (silicio) y la presencia de agentes complejantes en el interior del tracto digestivo.

La orina es la vía más importante de excreción del aluminio. Tras la administración por vía oral de una dosis única de aluminio, pasados 13 días se había excretado un 83% por la orina y un 1,8% por las heces. La semivida (tiempo en que permanece el aluminio en el organismo) de las concentraciones urinarias en soldadores expuestos durante más de 10 años fue de 6 meses o superior. Entre trabajadores jubilados expuestos al polvo de escamas de aluminio, las semividas calculadas se situaban entre 0,7 y 8 años.

Animales

La absorción por vía gastrointestinal es normalmente menor del 1%. Los principales factores que influyen en la absorción son la solubilidad, el pH y las especies químicas. La absorción del aluminio puede interferir en los sistemas de transporte del calcio y el hierro. La absorción cutánea y por inhalación no han sido estudiadas con detalle. El aluminio se distribuye en la mayoría de los órganos del cuerpo, y cuando las dosis son altas se acumula principalmente en los huesos. De forma limitada pero aún no determinada con precisión, atraviesa la barrera hematoencefálica, y llega también al feto. El aluminio se elimina eficazmente por la orina. El periodo de semieliminación plasmática es de aproximadamente 1 h en los roedores.

Efectos en el hombre

No se han descrito efectos patógenos agudos en la población general como consecuencia de la exposición al aluminio.

En Inglaterra una población de aproximadamente 20 000 individuos se vio expuesta durante por lo menos 5 días a niveles elevados de sulfato de aluminio (unas 20 toneladas), debido a la contaminación accidental de unas instalaciones de agua de bebida sin especificar en que volumen de agua ocurrió este accidente. Se informó de casos de náuseas, vómitos, diarrea, úlceras bucales, úlceras y erupciones cutáneas y dolores artríticos. Se comprobó que los síntomas eran en su mayoría leves y de corta duración. No se pudieron atribuir efectos duraderos sobre la salud a las exposiciones conocidas al aluminio del agua de bebida.

Se ha propuesto la hipótesis de que el aluminio presente en el agua potable es un factor de riesgo por lo que se refiere al desarrollo o la aceleración de la enfermedad de Alzheimer y al deterioro senil de la función cognitiva. Se ha sugerido también que el polvo y los vapores de aluminio fino apisonado son quizá factores de riesgo que propician el deterioro de las funciones cognitivas y la aparición de enfermedades pulmonares en determinados trabajos.

Se han llevado a cabo unos 20 estudios epidemiológicos para comprobar la hipótesis de que el aluminio del agua de bebida es un factor de riesgo de la enfermedad de Alzheimer, y dos estudios han evaluado la asociación entre el aluminio del agua de bebida y el deterioro de las funciones cognitivas. El diseño de estos estudios abarcaba desde el control ecológico hasta el control de los casos. Se consideró que 8 estudios realizados en poblaciones de Noruega, el Canadá, Francia, Suiza e Inglaterra tenían la calidad necesaria para satisfacer los criterios generales establecidos a fin de evaluar la exposición y los resultados y de poder efectuar ajustes por lo menos en algunas variables de confusión. De los seis estudios que analizaron la relación entre el aluminio del agua de bebida y la demencia a la enfermedad de Alzheimer, tres hallaron una relación positiva, pero no así los otros tres. Sin embargo, todos los estudios presentaban algunos fallos de diseño (relacionados por ejemplo con la evaluación de la exposición ecológica, la no consideración de todas las fuentes de exposición al aluminio y de factores de confusión importantes como la educación, la situación socioeconómica y los antecedentes familiares, el uso de medidas indirectas de la evolución de la enfermedad de Alzheimer, o unos métodos sesgados de selección). Sobre la base de los conocimientos disponibles acerca de la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer y de todas las pruebas aportadas por estos estudios epidemiológicos, se llegó a la conclusión de que los datos epidemiológicos actuales no respaldan la hipótesis de una relación causal entre la enfermedad de Alzheimer y el aluminio del agua de bebida.

Además de los estudios epidemiológicos realizados para analizar la relación entre la enfermedad de Alzheimer y el aluminio del agua de bebida en otros dos estudios se examinó la relación entre los casos de disfunción cognoscitiva y de enfermedad de Alzheimer en poblaciones de ancianos y los niveles de aluminio en el agua de bebida. Los resultados fueron una vez más contradictorios. En un estudio realizado en 800 octogenarios varones que consumían agua de bebida con concentraciones de aluminio de hasta 98 µg/litro no se halló relación alguna. El segundo estudio utilizó "cualquier indicio de deterioro mental" como criterio de seguimiento, calculando así un riesgo relativo de 1,72 para concentraciones de aluminio superiores a 85 µg/litro en 250 varones. Tales datos son insuficientes para demostrar que el aluminio sea una causa de deterioro cognitivo en los ancianos.

Los datos sobre el deterioro de la función cognitiva en relación con la exposición al aluminio son contradictorios. La mayoría de los estudios se han hecho en poblaciones reducidas, y la metodología utilizada es cuestionable en lo que respecta a la magnitud del efecto estudiado, la evaluación de la exposición y los factores de confusión. En un estudio comparativo del deterioro cognitivo entre mineros no expuestos y mineros expuestos a un polvo que contenía un 85% de aluminio molido muy fino y un 15% de óxido de aluminio (como profilaxis contra el sílice), los resultados de las pruebas cognitivas y la proporción de personas con dificultades en al menos una de las pruebas fueron peores entre los mineros expuestos. Se detectó una tendencia al aumento del riesgo relacionada con la exposición.

En todos los estudios ocupacionales de los que se tiene noticia, la magnitud de los efectos observados, la presencia de factores de confusión, los problemas relacionados con la evaluación de la exposición y la probabilidad de exposiciones mixtas hacen que, en conjunto, los datos sean insuficientes como para extraer la conclusión de que el aluminio es una causa de deterioro cognitivo en los trabajadores expuestos al aluminio en su trabajo.

En estudios limitados con trabajadores expuestos a vapores de aluminio se ha informado de síndromes neurológicos que incluyen el deterioro de la función cognitiva, disfunciones motoras y neuropatía periférica. Se ha informado de una pequeña población de soldadores de aluminio que, comparados con soldadores de hierro, presentaron un ligero deterioro de la función motora repetitiva. En otros estudios realizado con cuestionarios se detectó un aumento de los síntomas neuropsiquiátricos.

En los pacientes con insuficiencia renal crónica, la exposición iatrogénica a líquidos de diálisis o productos farmacéuticos con aluminio puede producir encefalopatía, osteomalacia resistente a la vitamina D y anemia microcítica. Estos síndromes clínicos pueden prevenirse reduciendo la exposición al aluminio.

En los niños prematuros expuestos a fuentes atrogénicas de aluminio puede producirse un incremento del contenido de aluminio de los tejidos, particularmente en los huesos, incluso cuando la disfunción renal no es lo suficientemente grave como para provocar un aumento de los niveles de creatinina en sangre. En caso de insuficiencia renal pueden aparecer convulsiones y encefalopatía.

Aunque la exposición humana al aluminio está muy extendida, sólo se ha informado de unos cuantos casos de hipersensibilidad consecutivos a la aplicación cutánea o la administración parenteral de algunos compuestos de aluminio.

Se ha informado de casos de fibrosis pulmonar en algunos trabajadores expuestos a polvo muy fino de aluminio apisonado utilizado en la fabricación de explosivos y material pirotécnico. Casi todos los casos estaban relacionados con la exposición a partículas de aluminio cubiertas de aceite mineral. Dicho procedimiento ya no se utiliza. Otros casos de fibrosis pulmonar se han relacionado con exposiciones a otros agentes minerales como el sílice y el asbesto y no pueden atribuirse exclusivamente al aluminio.

Algunos casos de asma inducida por sustancias irritantes se han asociado a la inhalación de sulfato de aluminio, fluoruro de aluminio o tetrafluoruro potásico de aluminio, así como al ambiente cargado de los cuartos de calderas utilizados en la producción de aluminio.

La información disponible es insuficiente para poder clasificar el riesgo de cáncer asociado a las distintas formas de exposición humana al aluminio y sus compuestos. Los estudios en animales no indican que el aluminio o los compuestos del aluminio sean carcinógenos.

Efectos en otros organismos en el laboratorio y en el campo

En las algas acuáticas unicelulares se ha detectado una mayor toxicidad a pH bajo, circunstancia que aumenta la biodisponibilidad del aluminio. Estas algas son más sensibles que otros microorganismos, y de 19 especies lacustres la mayor parte presentaron una inhibición completa del crecimiento a una concentración total de aluminio de 200 µg/litro (pH 5,5). Es posible seleccionar cepas tolerantes al aluminio; se han aislado algas verdes capaces de crecer en presencia de 48 mg/litro a pH 4,6.

Se han llevado a cabo pruebas de toxicidad en peces a corto y largo plazo en muy diversas condiciones y, lo que es más importante, a distintos valores de pH. A niveles de pH muy bajos (inhabituales en aguas naturales) la concentración de hidrogeniones parece ser el factor tóxico, y la adición de aluminio tiende a reducir la toxicidad. En el margen de pH 4,5 a 6,0 el aluminio en equilibrio ejerce su máximo efecto tóxico. Se ha visto que la toxicidad también aumenta a niveles crecientes de pH en la región de pH alcalino. El mecanismo propuesto para explicar la toxicidad del aluminio en los peces es la incapacidad de los animales a mantener el equilibrio osmorregulador, y los problemas respiratorios asociados a la precipitación del aluminio en el moco de las branquias. El primero de estos efectos se asocia a niveles bajos de pH. Estos datos de laboratorio han sido confirmados por estudios realizados en la naturaleza, especialmente en zonas sometidas a estrés ácido.

Los huevos y las larvas de los anfibios se ven afectados por la acidez y el aluminio, y se da una interacción entre estos dos factores. Se ha informado de fenómenos de disminución de la incubación, retraso de la eclosión, retraso de la metamorfosis, metamorfosis con tamaño reducido y aumento de la mortalidad en diversas especies a concentraciones de aluminio inferiores a 1 mg/litro.

La exposición de las raíces de plantas terrestres al aluminio puede frenar el crecimiento radicular, la captación de nutrientes y el desarrollo de la planta. Se ha demostrado la tolerancia al aluminio tanto en el laboratorio como en la naturaleza.

Conclusiones

Población general

Los estudios realizados en animales acerca de la exposición al aluminio han revelado riesgos para el desarrollo neurológico y las funciones cerebrales. Sin embargo, no se ha demostrado que el aluminio ocasiona riesgos para la salud de las personas sanas y no expuestas en el trabajo.

No existen pruebas de que el aluminio tenga un papel causal primordial en la enfermedad de Alzheimer.

La hipótesis de que la exposición de la población anciana de algunas regiones a niveles elevados de aluminio en el agua de bebida puede exacerbar o acelerar la enfermedad de Alzheimer no está avalada por datos válidos.

Tampoco hay datos válidos que corroboren la hipótesis de que determinadas exposiciones, ya sean ocupacionales o a través del agua de bebida, pueden asociarse a un deterioro inespecífico de la función cognitiva.

No existen datos suficientes relacionados con la salud que justifiquen la revisión de las actuales directrices de la OMS respecto a la exposición al aluminio de individuos sanos no expuestos ocupacionalmente. Así, por ejemplo, no hay una base científica sólida para establecer una norma basada en criterios de salud sobre el aluminio en el agua de bebida.

Subpoblaciones con un riesgo especial

En pacientes con trastornos de la función renal, cualquiera que sea su edad, la acumulación de aluminio provoca un síndrome clínico caracterizado por encefalopatía, osteomalacia resistente a la vitamina D y anemia microcítica. Las fuentes de aluminio son los líquidos de hemodiálisis y las preparaciones famarcéuticas que contienen aluminio (p.ej., aglutinantes de fosfato). Los pacientes con insuficiencia renal corren por tanto el riesgo de sufrir neurotoxicidad por aluminio.

La exposición iatrogénica al aluminio entraña riesgos para los pacientes con insuficiencia renal crónica. Los lactantes prematuros tienen en su organismo una mayor carga de aluminio que los otros lactantes. Deben tomarse toda clase de precauciones para limitar la exposición de esos grupos.

Poblaciones expuestas ocupacionalmente

Los trabajadores que han estado expuestos durante largo tiempo a niveles altos de partículas finas de aluminio corren quizá un mayor riesgo de sufrir efectos nocivos para su salud. Sin embargo, no hay datos suficientes para fijar con cierto grado de fiabilidad unos límites de exposición ocupacional en relación con los efectos adversos del aluminio.

La exposición al polvo de aluminio pirotécnico apisonado, recubierto casi siempre de aceites lubricantes minerales, ha provocado fibrosis pulmonar (aluminosis), pero no se ha demostrado que la exposición a otras formas de aluminio produzca fibrosis pulmonar. En la mayor parte de los casos notificados había habido también exposición a otros agentes potencialmente fibrogénicos.

Algunos casos de asma inducida por sustancias irritantes se han asociado a la inhalación de sulfato de aluminio, fluoruro de aluminio o tetrafluoruro potásico de aluminio, así como al ambiente cargado del interior de los cuartos de calderas utilizados en la producción de aluminio.

Efectos en el medio ambiente

Las fases sólidas que contienen aluminio en el medio ambiente son relativamente insolubles, en particular a un pH aproximadamente neutro, de ahí las bajas concentraciones de aluminio disuelto que tienen la mayoría de las aguas naturales.

En los entornos ácidos o escasamente taponados que reciben aportes muy acidificantes, las concentraciones de aluminio pueden aumentar hasta niveles perjudiciales tanto para los organismos acuáticos como para las plantas terrestres. No obstante, existen grandes diferencias en la sensibilidad a este metal según la especie, la cepa y la etapa de la vida.

En las aguas sometidas a estrés ácido se produce una reducción sustancial de la diversidad de especies, asociada a una movilización de las formas más tóxicas de aluminio. Dicha pérdida de diversidad se observa en todos los niveles tróficos.

CAPITULO I

1. 1 CONCEPTO DE INFERENCIA ESTADÍSTICA.4

“Es el conjunto de métodos estadísticos que permiten deducir (inferir) como se distribuye la población en estudio o las relaciones estocásticas entre varias variables de interés a partir de la información que proporciona una muestra”.

Para que un método de inferencia estadística proporcione buenos resultados debe de:

Basándose en una técnica estadístico-matemática adecuada al problema y suficientemente validada, utilizar una muestra que realmente sea representativa de la población y de un tamaño suficiente.

1.2 CONTRASTE O TEST DE HIPÓTESIS.

Un contraste o test de hipótesis es una técnica de Inferencia Estadística que permite comprobar si la información que proporciona una muestra observada concuerda (o no) con la hipótesis estadística formulada sobre el modelo de probabilidad en estudio y, por tanto, se puede aceptar (o no) la hipótesis formulada.

Una hipótesis estadística es cualquier conjetura sobre una o varias características de interés de un modelo de probabilidad.

La hipótesis que se contrasta se denomina hipótesis nula y, normalmente, se denota por H0. Si se rechaza la hipótesis nula es porque se asume como correcta una hipótesis complementaria que se denomina hipótesis alternativa y se denota por HA.

La situación se puede esquematizar:

H0 cierta

HA cierta

H0 rechazada

Error tipo I (ð )

Decisión correcta (*)

HA aceptada

Decisión correcta (*)

Error tipo II (ð )

(*) Decisión correcta que se busca

1.3 TIPOS DE ERRORES 5

El error tipo I se comete cuando se rechaza Ho siendo verdadera Ho. La probabilidad de un error tipo I se denota por .

El error de tipo II se comete si se acepta Ho cuando es verdadera HA. La probabilidad de un error tipo II se denota por .

 = p (rechazar H0|H0 cierta)

 = p (aceptar H0|H0 falsa)

Potencia =1- = p(rechazar H0|H0 falsa)

Debe tenerse en cuenta que sólo se puede cometer uno de los dos tipos de error y, en la mayoría de las situaciones, se desea controlar la probabilidad de cometer un error de tipo I.

Detalles a tener en cuenta

1.  y  están inversamente relacionadas.

2. Sólo pueden disminuirse las dos, aumentando n.

El valor de  habitualmente no se calcula en los paquetes estadísticos, y solamente es posible calcular las probabilidades de un error tipo II para puntos específicos en HA.

Los pasos necesarios para realizar un contraste relativo a un parámetro son:

1. Establecer la hipótesis nula en términos de igualdad

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

2. Establecer la hipótesis alternativa, que puede hacerse de tres maneras, dependiendo del interés del investigador

HA :  " 0  > 0  < 0

en el primer caso se habla de contraste bilateral o de dos colas, y en los otros dos de lateral (derecho en el 2º caso, o izquierdo en el 3º) o una cola.

3. El estadístico de la prueba (como un estimador), es una función de las mediciones muestrales en la cual se fundamenta la decisión estadística. Este estadístico se denota con p y es el mínimo nivel de significación , para el cual los datos observados indican que se tendría que rechazar la hipótesis nula.

Si  " p se rechaza Ho

Si  < p no se rechaza Ho

4. La región de rechazo, que especifica los valores del estadístico de la prueba para los cuales se rechaza la hipótesis nula. Si en una muestra particular el valor calculado del estadístico de la prueba se localiza en el región de rechazo, se rechaza la hipótesis nula Ho y se acepta la hipótesis alternativa Ha. Si el valor del estadístico de la prueba no cae en la región de rechazo, aceptamos Ho.

El valor de la región de rechazo se determina al fijar , la probabilidad del error tipo I.

Fijar el nivel de significación  equivale a decidir de antemano la probabilidad máxima que se está dispuesto a asumir de rechazar la hipótesis nula cuando es cierta. El nivel de significación lo elige el experimentador y tiene por ello la ventaja de tomarlo tan pequeño como desee (normalmente se toma = 0'05, 0'01  o 0'001).

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

1.4 DISEÑO EXPERIMENTAL4

Definición.- Se entiende por diseño experimental la realización de una serie de experimentos previamente diseñados donde se varían los valores de las variables de entrada de un proceso o sistema y se miden los valores de la respuesta de salida.

El Diseño de Experimentos estudia también la forma de realizar comparaciones lo más homogéneas posibles que permitan detectar cambios en el proceso e identificar a los factores más influyentes.

Un primer método es la comparación de las medias de dos poblaciones normales (diseño de experimentos con un factor a dos niveles). La generalización de este problema es el estudio de la igualdad de las medias de I niveles de un factor y, por tanto, de la influencia del factor en la variable de respuesta.

En este estudio se utiliza la técnica del Análisis de la Varianza: ADEVA (en inglés, ANálisis Of VAriance: ANOVA), que es la técnica fundamental para el estudio de observaciones que dependen de varios factores. El ANOVA es una prueba estadística desarrollada para realizar simultáneamente la comparación de las medias de más de dos poblaciones.

El ANOVA es la herramienta básica para el análisis de los modelos estadísticos de Diseño de Experimentos y Regresión Lineal, porque permite descomponer la variabilidad de un experimentos en componentes independientes que puedan asignarse a diferentes causas. El Diseño Completamente Aleatorizado es el diseño más simple y en él se utiliza un único factor y las unidades experimentales se asignan a los tratamientos completamente al azar.

1.4.1 ¿Cuando se usa?

El diseño experimental es utilizado ampliamente cuando se desea mejorar de rendimiento de los procesos industriales como para el desarrollo de nuevos procesos, ahorrando tiempos y costo de desarrollo. Aporta además el conocimiento profundo de los procesos, generando herramientas eficaces de manejo de los mismos.

1.4.2 ¿Para que se usa?

Generalizando, podemos aplicar el diseño de experimentos para:

  • Determinar que variables tienen mayor influencia en los valores de respuesta y.

  • Determinar el mejor valor de las variables x para tener un valor cercano al valor de respuesta deseado.

  • Determinar el mejor valor de las variables para que el valor de la respuesta tenga la mejor variabilidad.

1.4.3 Planeación de un diseño experimental.

Para que un experimento se realice en la forma más eficiente, es necesario emplear métodos científicos en su planeación.

El diseño estadístico de experimentos es el proceso de planear un experimento para obtener datos apropiados que puedan ser analizados mediante métodos estadísticos, con el objeto de producir conclusiones válidas y objetivas.

Se requiere de un enfoque estadístico del diseño de experimentos para obtener conclusiones significativas a partir de los datos. La metodología estadística es el único enfoque objetivo para analizar un problema que involucre datos sujetos a errores experimentales. Así que hay dos aspectos en cualquier problema experimental: el diseño de experimentos y el análisis estadístico de los datos.

A efectos de poder dar un enfoque estadístico al diseño se deberán respetar tres principios básicos en el diseño de experimentos:

  • Replicación, o repetición de ensayos

  • Aleatorización de experimentos

  • Análisis por bloques

1.4.4 Principal problema de la aplicación del diseño experimental.- El problema más importante para la aplicación del diseño experimental en la industria es que la enorme mayoría de los técnicos no conocen en profundidad sobre estadística, y consecuentemente menos sobre su aplicación al diseño experimental. Sin embargo, esto ha dejado de ser un problema con el acceso generalizado a la computación, que nos provee de herramientas altamente eficientes en el tema y nos permite dedicarnos prácticamente con exclusividad al análisis de resultados, como veremos más adelante, abriendo las puertas masivamente a este tipo de tecnologías.

1.4.5 Seleccionar el modelo del diseño

En relación al modelo de diseño experimental a utilizar, existe una gran variedad desarrollados en base al uso de las técnicas estadísticas y su aplicación de cálculos en forma manual, o histórica, como pueden verse en la siguiente lista:

  • Diseño por bloques aleatorizados

  • Cuadros latinos

  • Diseño por bloques incompletos

  • Diseño factorial 2K

  • Diseños fraccionarios de 2 niveles

  • Diseños factoriales 3K

  • Diseño factorial 3K fraccionarios

  • Diseños Jerárquicos

  • Análisis de regresión lineal

  • Superficie de Respuesta

Todas estas técnicas han dado un significativo aporte a la historia de la investigación. Sin embargo casi todas ellas, salvo el estudio de superficie de respuesta adolecen del error de simplificación que implica suponer que las variaciones de respuesta son lineales con las de las variables. Esto significa que se supone que las respuestas no tienen curvatura y pueden ser representadas por ecuaciones de primer grado.

El esquema de Superficie de Respuesta asume en principio que todas las variables son de segundo grado, lo que implica una mayor complejidad en la resolución de los temas relacionados al análisis estadístico.

Su principio fundamental es trabajar con el concepto de línea de regresión, aplicado a una ecuación de segundo grado, que cuando se usa para dos variables independientes se transforma en una superficie de respuesta, de donde toma su nombre.

La ecuación fundamental para dos variables se representa de la siguiente forma:

Y = A11X1"2 + A1X1 +A22X2"2 +A2X2 + A12X1X2 +A0

Donde Y es la respuesta que estudiamos, X1 y X2 las variables que modificamos y los diversos Aij los coeficientes de la ecuación que definen el proceso.

Es en este punto donde un elevado porcentaje de los tecnólogos de la industria encuentran un freno a sus aspiraciones de aplicación de este tipo de metodologías por desconocimiento de la resolución de matrices y de la aplicación de estadísticas a la metodología de diseño de desarrollo. Sin embargo, desde la instalación masiva en los mercados de los computadores personales, y el posterior desarrollo de programas específicos dedicados a la resolución de este tipo de temas, han permitido el fácil acceso de los técnicos a este tipo de aplicaciones.

Dado que este modelo de análisis por superficie de respuestas involucra de hecho a la gran mayoría de los modelos conocidos, es el que debe tomarse como base de los trabajos a realizar, y para ello existen dos caminos:

  • Usando un programa de diseño de experimentos que incluya el modelo de superficie de respuesta.

  • Utilizando Excel, que resuelve el cálculo matricial

Existen varios programas de computación específicos desarrollados para este tema, entre los cuales podemos citar los producidos por:

  • Design Expert

  • E-Chip

  • JMP

  • Minitab

  • Statgraphics

  • Statistica

Para poder utilizar Excel es necesario conocer los fundamentos estadísticos del diseño de experimentos y plantear sus ecuaciones para determinación de errores, análisis de varianza y calculo matricial.

A efectos de resolver el cálculo matricial, existen en Excel funciones como MDETERM, MINVERSA, MULT., TENDENCIA, etc.

Ya provisto de la herramienta, solo queda seguir las distintas etapas propuestas por el modelo, realizar los ensayos e interpretar los resultados.

Para la realización de las pruebas que nos interesan elegimos el Programa Design Expert, ya que esta obtiene las opciones que mas se adecuan para nuestro análisis de investigación.

1.4.6 Comprensión del problema en estudio.

Para poder realizar un programa de experimentos, es necesario previamente comprender el problema que se desea estudiar, elegir las variables más apropiadas y sus niveles de uso, elegir la o las salidas de respuesta a evaluar, el modelo de diseño experimental a utilizar, realizar el experimento, analizar los datos y sacar las conclusiones correspondientes.

1.4.7 Elección de las variables apropiadas.

Para la elección de las variables se debe antes, introducir el concepto de:

Variables Numéricas.- Son variables a las que se asignan valores.

Variables Categóricas.- Son variables no numéricas.

1.4.7.1 Elección de los niveles.

Se denomina niveles al grado de intensidad de las variables experimentales independientes.

1.4.7.2 Elección de las salidas.

Y, será la respuesta de salida que deseamos analizar, se indicará las unidades en las que se va a medir.

1.5 PARTE PRACTICA

PRIMER EXPERIMENTO:

1.5.1 COMPARACIÓN ENTRE EL CLORURO FERRICO Y EL SULFATO DE ALUMINIO COMO COAGULANTE PRIMARIO (Anexo 1):

Entrada: agua cruda, con la medición de la turbiedad y color

VARIABLES:

Variables Categóricas:

X1: Tipo de coagulante (Cloruro Férrico o Sulfato de Aluminio)

Variables Numéricas:

X2: Dosis del coagulante

X3: Concentración del coagulante

Z1...zi son otras variables que intervienen en el proceso y que se mantienen constantes durante el experimento. Nosotros tomaremos los mismos valores de los ensayos de tratabilidad con las cuales trabaja actualmente la planta del Cebollar, estas variables son:

Tiempo de mezcla rápida: 12 segundos Gradiente de velocidad : 300rpm

Tiempo de floculación: 16 minutos Gradiente de velocidad : 50rpm

Tiempo de floculación: 6 minutos Gradiente de velocidad : 30rpm

Tiempo de sedimentación: 15 minutos

Los niveles que tenemos para las variables numéricas y categóricas son dos:

NIVELES:

COAGULANTE:

Nivel Alto: Sulfato de Aluminio

Nivel Bajo: Cloruro férrico

DOSIS:

Nivel Alto: 50 mg/l

Nivel Bajo: 20 mg/l

CONCENTRACIÓN:

Nivel Alto: 1%

Nivel Bajo: 5%

Salidas de respuesta

En nuestro experimento esta será la turbiedad y será medida en NTU, elegimos esta variable ya que esta directamente relacionada con la calidad del agua, mientras más baja sea esta se obtendrá una mejor agua tratada.

El modelo del diseño de experimentos elegido es el de superficie de Respuesta.

Una vez establecidos estos parámetros nos planteamos las hipótesis que vamos a comparar y estas son:

1. Hipótesis Nula

No existe diferencia significativa entre la utilización del cloruro férrico y el sulfato

de aluminio como coagulante en el proceso de potabilización del agua. ( = 0)

2. Hipótesis Alternativa

El cloruro férrico es mejor coagulante que el Sulfato de Aluminio en la potabilización del agua. ( > 0 )

3. Nivel de significación:

 es: 0.05

4. Región de Rechazo: 5%

Se realizaron 10 pruebas, cada una con una turbiedad distinta, los pasos para introducir los datos en el programa Design Expert son:

Aparece la siguiente hoja en donde se presentan diversas opciones, se elige se elige Full, 2 level factorial, y se hace clic en la opción Response Surface (Superficie de Respuesta). Se hace clic en continue>>

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

Luego aparece la siguiente hoja en donde se indica el número de variables numérica que son 2 y categóricas que es 1. Se ingresan las variables numéricas (Dosis en mg/l y Concentración en %).

Se introduce los niveles alto y bajo para la Dosis (20 y 50) y Concentración (1 y 5). Se hace clic en continue>>

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

Se va a la opción para elegir el  y el número de replicas de:

puntos factoriales = 2

puntos axiales = 2

puntos centrales = 5

Se hace clic en continue>>

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

Aparece la hoja en donde se ingresa las variables categóricas que se quiere comparar y es el Cloruro Ferrico y el Sulfato de Aluminio. Se hace clic en continue>>

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

Aparece la opción de respuestas se quieren obtener, y que es la Turbiedad y el Color. Se hace clic en continue>>

Al final aparece ya la hoja con los tratamientos que el programa realiza, en esta se debe llenar con los valores de Turbiedad y Color que se obtienen de las observaciones experimentales.

'Potabilización de agua con cloruro férrico o sulfato de aluminio'

EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS

Nº PRUEBA

Turbiedad Inicial

NTU

Nivel Significación

 :

Estadístico de la Prueba p:

1

1.9

0.05

0.0001

significativo

2

18

0.05

0.0001

significativo

3

36

0.05

0.0001

significativo

4

70

0.05

0.0002

significativo

5

246

0.05

0.0054

significativo

6

520

0.05

0.0088

significativo

7

180

0.05

0.0066

significativo

8

340

0.05

0.0121

significativo

9

9

0.05

0.0032

significativo

10

2.5

0.05

0.0001

significativo

CONCLUSIONES

Como se observa el valor de p en todas las pruebas es menor a : 0.05 por lo que se acepta la hipótesis alternativa y se rechaza la hipótesis nula, es decir el Cloruro Férrico es mejor coagulante que el Sulfato de Aluminio.

SEGUNDO EXPERIMENTO (Anexo 1):

Una vez establecido que el Cloruro Férrico da mejores resultados como coagulante del agua, se quiere establecer si es necesario la adición de polímero o no. El procedimiento será el mismo que en el primer experimento por lo que tenemos:

e: entrada del agua cruda, con la medición de la turbiedad y color

Variables Categóricas:

X1: Adición o no de Polímero

Variables Numéricas:

X2: Dosis de Cloruro Férrico

X3: Tiempo adición del polímero

Z1...zi son otras variables que intervienen en el proceso y que se mantienen constantes durante el experimento. Nosotros tomaremos los mismos valores de los ensayos de tratabilidad con las cuales trabaja actualmente la planta del Cebollar, estas variables son:

Tiempo de mezcla rápida: 12 segundos Gradiente de velocidad : 300rpm

Tiempo de floculación: 16 minutos Gradiente de velocidad : 50rpm

Tiempo de floculación: 6 minutos Gradiente de velocidad : 30rpm

Tiempo de sedimentación: 15 minutos

Finalmente Y, será la respuesta de salida que deseamos analizar, en nuestro experimento esta será la turbiedad.

Elección de los niveles.

COAGULANTE:

Nivel Alto: Con polímero

Nivel Bajo: Sin polímero

DOSIS:

Nivel Alto: 50 mg/l

Nivel Bajo: 20 mg/l

TIEMPO:

Nivel Alto: 10 minutos

Nivel Bajo: 5 minutos

Elección de las salidas.

Y, será la respuesta, en nuestro experimento esta será la turbiedad y será medida en NTU, elegimos esta variable ya que esta directamente relacionada con la calidad del agua, mientras más baja sea esta se obtendrá una mejor agua tratada.

1. Hipótesis Nula

La adición de polímero como ayudante de floculación, utilizando cloruro férrico como coagulante, no tiene influencia.

2. Hipótesis Alternativa

La adición de polímero como ayudante de floculación, utilizando cloruro férrico como coagulante, mejora la calidad final del agua

3. Nivel de significación:

 es: 0.05

4. Región de Rechazo: 5%

EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS

Nº PRUEBA

Turbiedad Inicial

NTU

Nivel Significación

 :

Estadístico de la Prueba p:

1

5

0.05

0.9027

No significativo

2

26

0.05

0.2260

No significativo

3

3

0.05

0.1706

No significativo

4

240

0.05

0.1184

No significativo

5

14

0.05

0.2664

No significativo

CONCLUSIONES

En estos resultados se observan que el valor de = 0.05 es menor al valor del estadístico p, por lo que se concluye que aceptamos la hipótesis nula y descartamos la hipótesis alternativa, es decir la adición de polímero para mejorar el proceso de coagulación - floculación del agua cuando utilizamos cloruro férrico, no es importante puesto que no mejora significativamente la calidad del agua final.

CAPITULO II

2.1 ENSAYOS DE TRATABILIDAD

2.1.1 PROCESOS QUE SE DAN EN UN TRATAMIENTO CONVENCIONAL DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA2

2.1.2 Coagulación:

Es un proceso utilizado en Plantas de tratamiento de agua de filtración rápida como parte inicial de una serie de procesos que incluyen además, sedimentación, filtración y floculación, para la remoción de la turbiedad, color, bacterias, virus, algas y otros compuestos indeseables.

Al nivel de laboratorio uno de los modelos más empleado es el equipo de Prueba de Jarras como elemento de control del proceso de coagulación, siendo también un modelo predictivo, este método se encamina para la determinación y la optimización de las variables químicas del proceso de coagulación.

2.1.3 Mezcla Rápida:

La mezcla rápida es una unidad en la que hay una agitación enérgica y en la que con la ayuda de algunos agentes químicos denominados coagulantes se propicia la desestabilización de la materia suspendida en estado coloidal permitiendo la formación de microflóculos.

2.1.4 Floculación:


En la floculación el microflóculo formado aumenta su volumen, su peso y sobre todo su cohesión. Este proceso se realiza en el floculador, manteniendo unas velocidades o agitación determinadas en el agua, originando que las partículas (floculo) se pongan en contacto (colisiones de partículas) y por otro lado originando puentes químicos (Enlaces de partículas) lo que permite que el floculo adquiera las características mencionadas.

2.1.5 Sedimentación:

Se basa en la separación de los contaminantes sólidos cuya densidad es mayor que la del líquido por acción de la gravedad.

Consiste en promover condiciones de reposo en el agua (velocidades bajas) para remover mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión (floculo) más densas que el agua obteniéndose agua clarificada que pasará a los filtros en donde se removerá toda aquellas partículas que no se removieron en los pasos anteriores

En el capitulo I se demostró estadísticamente que el cloruro férrico es significativamente mejor coagulante que el sulfato de Aluminio para las aguas existentes en el cantón Cuenca, que se caracterizan por tener turbiedad, pH y alcalinidad bajas. Para corroborar esto se realizaron ensayos usando la metodología normal de prueba de jarras, obteniendo resultados como los indicados en la muestra siguiente tomada como ejemplo:

Turbiedad:

6.64 NTU

pH:

6.98

Color:

74 UC

Alcalinidad:

34 mg/l

# Jarra

DosisCl3Fe mg/l

Turbiedad

NTU

Color

UCA

Alcalinidad

1

14

8.14

74

2

18

5.65

73

3

22

4.66

64

16

4

26

2.26

28

5

30

0.83

12

6

34

No flocula

# Jarra

DosisCl3Fe mg/l

Turbiedad

NTU

Color

UCA

Alcalinidad

1

14

8.56

72

2

18

9.73

53

3

22

10.9

72

14

4

26

12.5

74

5

30

12.8

78

6

34

13.5

67

En ambos ensayos se usaron las mismas dosis de coagulante, los valores alcanzados de turbiedad y color correspondientes al cloruro férrico son significativamente más bajos que los obtenidos con el sulfato como era de esperarse. En la planta estos valores corresponderían aproximadamente a la turbiedad que se alcanza en los sedimentadores, en el caso del sulfato de aluminio la turbiedad en los sedimentadores como es frecuente llega a tener valores más altos que el agua cruda; con el cloruro férrico por tener un floculo más pesado los valores de la turbiedad en los sedimentadores podrían ser bajos, incluso menores a los del agua cruda, esto cuando el agua cruda tiene turbiedades bajas.

Turbiedad:

2.19 NTU

pH:

6.57

Color:

70 UC

Alcalinidad:

20mg/l

# Jarra

DosisCl3Fe mg/l

Turbiedad

NTU

Color

UCA

pH

1

12

4.5

135

5.67

2

13

5.66

113

5.47

3

14

4.4

65

5.45

4

15

1.56

34

5.41

5

16

1.1

24

5.38

6

17

0.86

17

5.14

# Jarra

DosisAl2(SO4)3 mg/l

Turbiedad

NTU

Color

UCA

pH

1

18

NO FLOCULAN

2

20

3

22

5.8

49

5.81

4

24

7.5

71

5.72

5

26

7.34

71

5.7

6

28

7.68

71

5.6

Este ejemplo demuestra que incluso con dosis de cloruro férrico menores que las dosis del sulfato de aluminio se obtienen valores más bajos de turbiedad.

Los ensayos de tratabilidad permiten determinar parámetros de diseño para una planta de tratamiento de agua, normalmente estos ensayos se hacen con el sulfato de aluminio, nosotros trabajamos de manera análoga con el cloruro férrico para determinar si es aplicable o si no existen diferencias marcadas.

El método que se utiliza para realizar estos ensayos utiliza las pruebas de jarras que es una forma relativamente rápida y barata para entre otras cosas comparar diferentes productos.

2.2 EQUIPOS Y MATERIALES REQUERIDOS:

2.2.1 EQUIPO DE JARRAS*

Como puede apreciarse en el esquema, se encuentra provisto por seis jarras estandarizadas con una capacidad de dos litros, consta de un agitador múltiple de velocidad variable que crea turbulencia simultáneamente en las seis jarras. El equipo dispone de un mecanismo para recolectar simultáneamente las muestras.

En el mismo se trata de reproducir las condiciones en las cuales se producen los procesos de coagulación - floculación - sedimentación en una planta de tratamiento o, determinar las condiciones óptimas que requiere un agua de determinada calidad.

* Metodología recomendada por CEPIS

La prueba de jarras permite determinar parámetros de diseño y control bajo condiciones estandarizadas, de las diferentes combinaciones de dosis de coagulante, concentración, pH, tiempo de mezcla rápida, gradiente de velocidad así como el tiempo de sedimentación, después de las cuales se mide la turbiedad del sobrenadante (agua clarificada) que es el parámetro que permite determinar las mejores condiciones que se obtienen de los ensayos, pudiendo también medirse otros parámetros que se crean necesarios como el color, pH, alcalinidad.

Sabiendo que la coagulación-floculación del agua constituye el proceso básico que determina en gran parte las condiciones de operación de la planta de tratamiento, de aquella depende por completo la mayor o menor eficiencia de los procesos siguientes, es decir, la separación de los sólidos por sedimentación y filtración. La remoción de turbiedad en los sedimentadores y en los filtros así como la calidad del agua que se obtenga en ellos, se relacionan directamente con la manera como las partículas sean desestabilizadas y con la intensidad de las fuerzas que las aglutinan.

Con este sistema de simulación se puede estudiar los siguientes parámetros:

  • Determinación de la dosis óptima de coagulante

  • Determinación de la influencia de la concentración en la coagulación.

  • Determinación de la influencia del pH.

  • Determinación del tiempo y gradientes óptimos de floculación.

  • Determinación de la velocidad de sedimentación.

  • Determinación de la eficiencia de los ayudantes de floculación.

  • También sirve para comparar diferentes coagulantes, ayudantes de coagulación, de floculación y de filtración.

2.2.2 Turbidímetro:6

Para comprender mejor el estudio del proceso de clarificación del agua se introduce el concepto de turbiedad. Se entiende por turbiedad a la propiedad óptica de una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de transmitirla en línea recta.

Los valores de turbiedad sirven para determinar el tratamiento requerido por una fuente de agua cruda, así como para conocer efectividad de los procesos de coagulación, sedimentación y filtración, tiene un significado sanitario muy importante, la norma ecuatoriana permite un valor -LMP- de 5.0 NTU, la Americana un valor deseable de 0.1 NTU, valor que debe considerarse como una meta a alcanzar puesto que a ese nivel no existe contenido microbiológico y el contenido residual de aluminio es casi inexistente.

E l equipo utilizado es un turbidimetro marca Hach modelo 2100AN, sirve para medir la turbiedad en el laboratorio, mide turbiedades desde 0 hasta 10.000NTU (que son unidades de turbiedades nefelometrícas) con un rango automático de selección. El modelo 2100 AN, no solamente mide turbiedad, también nos permite determinar porcentaje de tramitancia, absorbancia y color.

Para medir el color se utiliza un colorímetro de marca Hach el cual nos permite determinar el color de la muestra a 455nm y calibrado con patrones en la escala platino - cobalto que ha sido tomada luego del proceso de coagulación, floculación y sedimentación. Se habla de color aparente sino se ha removido la turbiedad y de color verdadero del agua en caso contrario. El color del agua se debe principalmente a materia orgánica, con frecuencia se trata de remover el color antes que la turbiedad .En estos casos la medición del color residual del agua después del floculada y sedimentada puede servir para caracterizar el ensayo.

2.2.3 Medidor de pH

La medición del pH antes y después de la floculación tiene una importancia básica. Por tanto, debe disponerse siempre de un sistema de medida del pH, para ello se uso un potenciómetro Orion modelo 710 A.

Es necesario también una balanza electrónica, cronómetro, pipetas, con ellas se puede medir exactamente la dosis que hemos del coagulante, evitando cometer un error en el volumen que se midió; jeringuillas, ellas nos permiten aplicar la dosis previamente medida en las pipetas, se utilizan estas para poder adicionar en forma simultánea la dosis en todas las jarras; cristalería: vasos de precipitación, vasos desechables, buretas, erlenmeyer.

2.3 REACTIVOS NECESARIOS:

Cloruro férrico comercial

Sulfato de aluminio comercial

Cal

Políelectrolito Praestor 611 TR

Agua destilada.

Hidróxido de sodio 0.1 N

Acido sulfúrico 0.02 N y 0.1 N

Naranja de metilo

2.4 DETERMINACIÓN DE LA DOSIS ÓPTIMA:7

Dependiendo del grado de turbiedad del agua, la dosificación del coagulante varía, por esta razón es importante hacer algunas pruebas variando la dosificación hasta encontrar la óptima para cada tipo de agua; se realiza una estimación mediante pruebas de laboratorio, en ellas se utiliza el agua que va a ser tratada así como los químicos que van a ser usados. Nuestro objetivo es el de determinar la dosis de coagulante que produce la más rápida desestabilización de las partículas coloidales de manera que permita la formación de un floculo pesado y compacto que pueda ser fácilmente retenido en los sedimentadores y que no se rompa al pasar por el filtro.

2.4.1 METODOLOGÍA DEL ENSAYO:

Se recomienda primero medir las propiedades iniciales del agua como son:

Propiedad

Unidad

Turbiedad

NTU

Color

UC

pH

unidades de pH

Alcalinidad

mg/l CaCO3

Se añade el coagulante al agua en dosis progresivas las cuales fueron preparadas de la siguiente manera: Se preparó una solución al 10 % de cloruro férrico, para ello se disuelve en agua 10 gramos de cloruro férrico sólido y se aforo a 100cc, de ella, por dilución se obtiene una solución al 1% en donde 1cc equivales a 10 mg de Cloruro férrico. Es decir si se agrega 1cc en un litro equivalen a 10 ml/l pero como nuestras jarras son de dos litros se esta agregando 5 mg/l.

Considerando lo anterior se obtiene una tabla en la cual nos indica cuantos cc se debe tomarse de ésta solución para tener la dosis requerida.

cc

Dosis mg/l

3

15

4

20

5

25

6

30

7

35

2.4.2 Modo de Adicionar la Dosis:

Se coloca la muestra de agua en cada una de las seis jarras, se pone a funcionar el equipo al máximo de revoluciones cerciorándose que funcione bien; se mide con pipeta el volumen que corresponde a las dosis que se agregarán colocándose en vasos plásticos, se pasan a jeringuillas descartables se retira la aguja y se coloca junto a la jarra correspondiente. Se inyecta el contenido de cada jeringa de manera rápida y simultanea en la jarra que le corresponde cuidando que la solución penetre profundamente para que la dispersión sea más rápida, en esta forma se evita la imprecisión en la cantidad dosificada.

Se realiza la mezcla rápida, se disminuye la gradiente de velocidad en la floculación y posteriormente se deja sedimentar a partir de las siguientes consideraciones:

Proceso

Tiempo

RPM

Mezcla Rápida

1 min

Máxima del equipo

Floculación

15 -20 min

50 rpm

Sedimentación

10 min

2.4.3 Modo de tomar la Muestra

Las jarras constan de un sifón y su diseño es tal que la velocidad del flujo en cada jarra es igual evitando la posibilidad de arrastrar los sedimentos. Se extraen aproximadamente unos 10 ml de muestra de cada jarra los cuales serán descartados, en otros recipientes se toman aproximadamente 30 ml del agua sedimentada que son las muestras que nos servirán para determinar: Turbiedad, pH, Color y Alcalinidad.

Con los datos obtenidos se procede a graficar, la mejor dosis que es aquella a la que corresponda la menor turbiedad.

Se realizaron cinco ensayos de tratabilidad con aguas de diferentes turbiedades que se conseguía añadiendo arcilla al agua cruda (Anexo 2).

Turbiedad

4.00

25.30

107.00

300.00

436.00

Inicial NTU

Dosis mg/l

NTU Final

NTU Final

NTU Final

NTU Final

NTU Final

15

2.76

3.43

3.68

3.07

No flocula

20

2.46

3.02

2.11

2.38

5.10

25

2.30

1.17

0.63

1.17

1.60

30

1.22

0.83

0.98

1.86

2.63

35

0.71

0.89

0.97

3.06

2.67

40

1.75

No flocula

0.43

1.64

1.52

En aguas con turbiedades mayores a 100 NTU parecería que existe una dosis por sobre la cual la turbiedad final aumenta, generando curvas similares a las del sulfato, el número de datos con que contamos no nos permite afirmar que sea así.

Para aguas como las nuestras que tienen turbiedades menores a 100 NTU en especial aquellas que son menores a 5 NTU que representan un 85 - 90 % del tiempo, no existe un punto de inflexión en la curva y la tendencia es de que conforme aumenta la dosis mejora la turbiedad hasta un punto en donde no existe floculación y la turbiedad y color suben abruptamente.

2.4.4 pH

Conforme aumenta la dosis de cloruro férrico el pH disminuye rápidamente por lo que al considerar una dosis debería tomarse en cuenta el valor del pH final. En todo caso en los ensayos realizados las dosis bajas de cloruro férrico disminuyen el pH final en valores similares a los que se obtiene con sulfato de Aluminio pero dando turbiedades mucho menores.

2.5 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN ÓPTIMA:

Estudios realizados han demostrado que la concentración de la solución de coagulante influye en la eficiencia de la mezcla rápida y cambia los resultados de coagulación.

El conocimiento que se obtiene a partir de las pruebas de jarra hechas en laboratorio pueden ser llevadas a la práctica en las plantas de tratamiento, por ello el objetivo de la determinación de la concentración óptima de la solución de coagulante es obtener aquella que de los mejores resultados en planta.

2.5.1 METODOLOGÍA:

Efectuar una prueba de jarra en la forma indicada para determinar la dosis óptima.

Se preparan soluciones con diferentes concentraciones partiendo para ello de la solución al 10%

Concentración (%)

cc de la solución del 10%

cc de agua

0.5

5

95

1

10

90

2

20

80

3.5

35

65

5

50

50

10

Una vez preparadas estas soluciones se toma de ellas los cc que correspondan a la dosis óptima determinada en el punto 1 según lo detallado a continuación:


Concentración

0.5

1

2

3.5

5

10

Dosis mg/l

cc a tomar

15

6

3

1.5

0.85

0.6

0.3

20

8

4

2

1.14

0.8

0.4

25

10

5

2.5

1.42

1

0.5

30

12

6

3

1.71

1.2

0.6

35

14

7

3.5

2

1.4