Coagulación y floculación: dosificación y ensayo de jarras

Dos tareas detrás de una frase

La coagulación y la floculación se mencionan juntas porque ocurren en el mismo tramo de una planta, una tras otra, pero son dos tareas distintas. Las partículas coloidales del agua cruda —arcilla, color, bacterias, materia orgánica— llevan una carga superficial negativa, y las cargas iguales las mantienen separadas. La sedimentación simple no las elimina a una velocidad útil, porque la repulsión entre dos partículas es más fuerte que la fuerza que la gravedad ejerce sobre partículas tan pequeñas.

La coagulación es el paso que elimina la repulsión. Un coagulante dosificado en el agua produce especies con carga positiva que comprimen la doble capa eléctrica alrededor de cada partícula y neutralizan parte de su carga, de modo que dos partículas que se encuentran pueden permanecer juntas. La floculación es el paso que hace crecer esos primeros agregados pequeños hasta formar flóculos lo bastante grandes para sedimentar o para ser flotados: las moléculas de polímero de cadena larga se adsorben en más de una partícula a la vez y las unen, y cuando una sal metálica se dosifica a mayor dosis, se forma un precipitado de hidróxido que atrapa las partículas en lo que suele llamarse un flóculo de barrido.

La distinción tiene una consecuencia práctica en el mezclado. La coagulación requiere energía en los primeros segundos para que el químico se disperse en todo el volumen antes de haber reaccionado; la floculación requiere un movimiento suave durante minutos, porque un flóculo ya formado se rompe con facilidad por el esfuerzo cortante. Una planta que mezcla una sola vez, con fuerza, hace una de las dos tareas y deshace la otra. La etapa de separación que sigue —sedimentación, flotación por aire disuelto o filtración— es donde los agregados tienen que salir, y su carga superficial es lo que convierte un flóculo bien formado en un sobrenadante claro.

Las tres familias de químicos

Casi todo arreglo de dosificación recurre a tres familias, y la mayoría usa más de una de ellas.

• Sales metálicas hidrolizantes: sulfato de aluminio (alumbre), cloruro de polialuminio, cloruro férrico y sulfato ferroso. Se hidrolizan en el agua a especies con carga positiva que neutralizan la carga de las partículas, y a dosis más altas precipitan como un hidróxido que arrastra las partículas consigo.
• Polímeros orgánicos: floculantes de poliacrilamida (PAM), suministrados en grados aniónicos, catiónicos o no iónicos. La cadena larga une partículas que ya están desestabilizadas, y los grados catiónicos llevan una carga positiva que hace parte de la neutralización por sí misma.
• Ajuste de pH y alcalinidad: cal, sosa cáustica o un ácido, usados para llevar el agua a la banda donde funciona el coagulante elegido. El alumbre y las sales férricas consumen alcalinidad al reaccionar, por lo que el pH después de la dosificación es el que ve el proceso.

La razón por la que aparece más de un químico es que las dos tareas se sirven mejor con moléculas distintas. Una sal metálica neutraliza la carga dentro de una banda de pH que debe establecerse para el agua en cuestión; un polímero forma un flóculo con una longitud de cadena que una sal metálica no tiene. Una sola sal metálica en un agua difícil, o un polímero solo en un coloide estable, es como una planta termina empujando una dosis mucho más alta de lo necesario. Los proveedores de coagulantes publican bandas indicativas tomadas de la práctica de las plantas potabilizadoras, pero esas bandas describen el químico y no su agua. El valor que importa se determina sobre el agua que la planta tratará realmente.

Por qué la dosis no puede leerse de una tabla

La dosis óptima de un coagulante dado se mueve con el agua. La turbidez y los sólidos suspendidos, la alcalinidad y el pH, la temperatura, la fracción orgánica, el color y la fuerza iónica la desplazan, y no todos la desplazan en la misma dirección. El mismo alumbre a la misma dosis puede producir un flóculo de sedimentación rápida en un agua cruda y una suspensión fina que pasa directamente sobre el vertedero en otra. Por eso dos plantas de tamaño similar en dos ríos distintos pueden sostener dosis muy alejadas.

Dos variables se suman al agua misma. El agua fría ralentiza la hidrólisis y la formación del flóculo, por lo que una dosis que funciona en verano puede rendir por debajo en invierno y puede necesitarse un tiempo de floculación más largo para compensar. Y una dosis de sal metálica fijada por un límite de fósforo y no por la claridad se fija por la química de precipitación: sigue la relación entre metal y fósforo en el agua, que es un cálculo distinto del que decide qué se ve claro en un vaso de precipitados.

La conclusión es que la dosis se determina y no se consulta, y esa determinación es el ensayo de jarras: una copia de la planta a escala de laboratorio, realizada en seis vasos de precipitados con el agua real, a dosis elegidas en torno a la banda esperada.

El ensayo de jarras, paso a paso

El ensayo de jarras es una práctica estándar y no una norma única fija, y los laboratorios difieren en los detalles. El procedimiento de ensayo de jarras que figura a continuación es el método de laboratorio convencional y las cifras son las que suelen citarse para él, por lo que deben leerse como un método de partida y no como una especificación. Lo que importa más que los valores exactos es que se repita el mismo procedimiento cada vez, para que puedan compararse dos resultados.

• Llenar seis vasos de precipitados idénticos con la misma agua cruda, a la misma temperatura, hasta el mismo volumen: alrededor de un litro por vaso es el tamaño de laboratorio habitual.
• Medir primero el agua cruda: turbidez o sólidos suspendidos, pH, alcalinidad, y DQO o fósforo total cuando esos son los parámetros que la planta está construida para eliminar.
• Establecer una escalera de dosificación para el coagulante en torno a la banda esperada, dejando un vaso sin dosificar como control. Pasos amplios cuando la banda es desconocida, y luego pasos estrechos una vez que la respuesta está a la vista.
• Mezclado rápido: agitar los vasos con fuerza durante un periodo corto —del orden de un minuto— para dispersar el coagulante antes de que reaccione.
• Mezclado lento: bajar la velocidad y agitar suavemente durante el periodo de floculación, del orden de 15 a 20 minutos, para que los flóculos puedan crecer sin romperse.
• Detener los agitadores y dejar reposar los vasos durante el periodo de sedimentación, del orden de 20 a 30 minutos.
• Leer el sobrenadante y no el vaso entero. Tomar la muestra a la misma profundidad en cada vaso y luego medir la turbidez y el parámetro objetivo en la muestra.
• Repetir con una escalera más estrecha en torno a los dos mejores vasos, y repetir todo el ensayo siempre que el agua cruda cambie de forma significativa.

Las velocidades y los tiempos anteriores pertenecen al laboratorio y no a la planta. En el sitio, la coagulación y la floculación se diseñan en torno a la energía disipada por unidad de volumen y al tiempo que el agua pasa en cada etapa, y el resultado de laboratorio es lo que fija la demanda de químico que ese diseño debe satisfacer. La tabla de volumen de tanque y TRH muestra cómo un tiempo de residencia se convierte en un volumen de tanque una vez conocida la dosis.

Registrar más que la dosis ganadora. Los datos útiles son la dosis, el pH medido después de la dosificación, las velocidades y duraciones del mezclado, el tiempo de sedimentación, el resultado del sobrenadante, el tamaño y el aspecto del flóculo, y el volumen de lodos que sedimentó: esa última cifra es la carga que recibirá la etapa de deshidratación.

Errores comunes

• Leer el mejor vaso como la dosis que hay que comprar. El sobrenadante más claro de una escalera suele estar por encima del punto de rendimiento decreciente, y tanto el costo del químico como el volumen de lodos aumentan con la dosis. La dosis que hay que adoptar es la más baja que cumple el objetivo con un margen.
• Sobredosificar por encima del óptimo. El exceso de sal metálica o de polímero catiónico invierte la carga de las partículas y vuelve a estabilizar lo que ya se había desestabilizado, de modo que la turbidez vuelve a subir a medida que aumenta la dosis. Una escalera que empeora en la parte alta está demostrando esto, no sufriendo un error experimental.
• Juzgar el ensayo solo por la claridad cuando aplica un límite de fósforo. La eliminación química de fósforo sigue la relación metal-fósforo en el agua, y la claridad visual del sobrenadante es una mala guía para ello.
• Preparar el polímero demasiado concentrado. El floculante en polvo humedecido en una solución fuerte forma grumos que nunca se disuelven del todo, y la fracción no disuelta es a la vez químico desperdiciado y una fuente de error en la dosis. Las soluciones de trabajo se preparan diluidas y se dejan madurar antes de dosificar.
• Acortar el mezclado rápido o hacerlo con demasiada suavidad. El coagulante tiene que llegar a todo el volumen antes de reaccionar; una primera etapa lenta deja que parte de la dosis reaccione localmente y deja a la etapa de floculación con poco sobre lo que construir.
• Probar agua que la planta no verá. Una muestra dejada reposar, calentada en el traslado o tomada en una sola hora tranquila no representa la carga que la planta debe tratar en el pico, y una dosis fijada con ella será incorrecta cuando importe.
• Medir el pH solo antes de la dosificación. Las sales metálicas consumen alcalinidad, y el pH que gobierna la reacción es el posterior a la adición del químico.

Autoverificación antes de fijar la dosis

• ¿La muestra es el agua que la planta tratará, tomada en el punto y el momento que deciden la carga?
• ¿Hay un control sin dosificar en el conjunto, para separar el efecto del químico de lo que el agua hace por sí sola?
• ¿Se midió el pH después de la dosificación además de antes?
• ¿La dosis está expresada para el producto comercial tal como se suministra, con su contenido activo, para que el ensayo y la compra coincidan?
• ¿Se ha verificado la dosis en la carga de pico además de en el promedio?
• ¿La solución de trabajo del polímero es lo bastante diluida para la bomba dosificadora y se le dio suficiente tiempo de maduración?
• ¿Se ha registrado el volumen de lodos sedimentados, para conocer la carga de deshidratación aguas abajo?
• ¿Se ha acotado la dosis ganadora con una segunda escalera, o se ha confirmado con una segunda muestra?

De una dosis a un sistema de dosificación

Un ensayo de jarras produce un número; una planta tiene que repetir ese número todos los días, con el caudal y la carga que lleguen. El polímero en polvo necesita humectación, maduración y dosificación medida, y el equipo que hace ese trabajo se describe en la página de tratamiento químico y avanzado, donde la máquina automática de dosificación de polímero prepara y dosifica el floculante en el sitio en lugar de a mano. Dos detalles tienen que viajar con la dosis: el producto comercial y su contenido activo, para que una dosis de laboratorio y un químico comprado sean lo mismo, y la dilución que puede manejar la bomba dosificadora. La velocidad de dosificación que conviene a su grado de polímero y a su carga de deshidratación se confirma con la fábrica para su polímero y su carga de lodos, en lugar de suponerse de una tabla. La tabla de calidad del afluente de diseño y la tabla de normas de vertido fijan la carga que el sistema de dosificación debe cumplir, y las páginas de equipo de deshidratación de lodos cubren lo que ocurre con los lodos que produce la dosis.