tratamientos fisicos y quimicos

1. 12.1. NEUTRALIZACIÓN
12.2. COAGULACIÓN/FLOCULACIÓN
12.3. PRECIPITACIÓN QUÍMICA
12.4. ADSORCIÓN
12.5. INTERCAMBIO IÓNICO
12.6. PROCESOS CON MEMBRANAS
12.7. STRIPPING
12.8. PROCESOS DE OXIDACIÓN
12.8.1. PROCESOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN
12.8.2. OXIDACIÓN HÚMEDA
TEMA 12. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE
EFLUENTES LÍQUIDOS II: TRATAMIENTOS
QUÍMICOS Y FÍSICO-QUÍMICOS

2. OBJETIVOS DEL TEMA
• Conocer la aplicabilidad de las operaciones de neutralización,
coagulación/floculación, precipitación química, adsorción, intercambio iónico,
procesos con membranas, stripping y oxidación en el tratamiento de aguas residuales
• Comprender los fundamentos y conocer las principales características de estos
sistemas de tratamiento

3. LAS AGUAS REQUIEREN DISTINTOS TRATAMIENTOS DEPENDIENDO DE SI SE TRATA DE:
 Potabilizar aguas brutas
 Tratar aguas residuales previamente a su vertido (o reutilización)
Un tratamiento típico de aguas residuales urbanas consiste en ir eliminando los contaminantes,
empezando por los sólidos de más tamaño hasta la materia orgánica disuelta mediante el empleo de
procesos de tratamiento físicos (desbaste y sedimentación) y biológicos, pero no resulta habitual el empleo
de reactivos químicos (con excepción del tratamiento de lodos donde es habitual el empleo de algún
aditivo)
Los procesos de tratamiento químicos o físico-químicos son más habituales en el tratamiento de aguas
residuales industriales
En este tipo de tratamientos están incluidos desde la simple neutralización a los denominados tratamientos
avanzados

4. El tratamiento avanzado se define como el tratamiento adicional necesario para eliminar sustancias
disueltas que no pueden ser eliminadas por un tratamiento convencional (adsorción, intercambio iónico,
procesos con membranas, procesos de oxidación)
Esto incluye los contaminantes inorgánicos solubles y también los contaminantes orgánicos que no pueden
ser degradados por vía biológica y que se denominan recalcitrantes o refractarios. Ejemplos :
 Sales inorgánicas disueltas (salmueras)
 Metales pesados
 Nutrientes (N y P)
 Compuestos orgánicos no biodegradables (o difícilmente biodegradables): tensoactivos, compuestos
fenólicos, pesticidas
El tratamiento avanzado puede ser necesario por razones legales (límites de vertido), previo al tratamiento
biológico (toxicidad) o para obtener agua de calidad (reutilización)

5. 12.1. NEUTRALIZACIÓN
La neutralización de aguas residuales ácidas o básicas es un tratamiento común en algunas corrientes
residuales industriales
CONTAMINANTES MÁS FRECUENTES:
• Ácidos: HNO3, H2SO4, HCl, ac. acético, ac. cianhídrico, ac. hipocloroso, ac. Carbónico
• Básicos: NaOH, amoniaco, carbonatos, sales metálicas
LA NEUTRALIZACIÓN SE UTILIZA HABITUALMENTE EN LOS SIGUIENTES CASOS:
• Antes de la descarga en un medio receptor natural (la vida acuática es muy sensible a variaciones de
pH)
• Antes de la descarga de ARI al alcantarillado municipal
• Antes de un tratamiento biológico (en general la actividad biológica óptima está entre pH 6.5 y 8.5)
MÉTODOS DE NEUTRALIZACIÓN:
 Mezclar aguas residuales ácidas y básicas (homogeneización)
 Adición de agentes neutralizantes
 Ácidos: HCl, H2SO4, ac. acético, CO2 (se puede usar un gas de combustión residual)
 Básicos: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH

6. La adición de coagulantes/floculantes consigue que pequeñas partículas se unan formando agregados de
mayor tamaño, mejorando la eficacia de eliminación en procesos como la sedimentación, flotación o
filtración
Desventajas: gasto de aditivos y mayor generación de lodos
Existe una tendencia natural de las partículas coloidales (< 1 µm) a desarrollar cargas eléctricas negativas
en su superficie (suspensiones coloidales estables)
COAGULACIÓN:
 Proceso de desestabilización de las dispersiones coloidales por efecto de cargas
 Los coagulantes más comunes son sales inorgánicas: FeCl3, Al2(SO4)3, Fe(SO4)3
FLOCULACIÓN:
 fenómeno de agregación de los coloides ya desestabilizados
 Los floculantes más comunes son polímeros de elevado peso molecular solubles en agua
 No existe una regla generalizada sobre el uso de coagulantes/floculantes por lo que suele ser
necesario la realización de pruebas a nivel de laboratorio
12.2. COAGULACIÓN / FLOCULACIÓN

7. Tabla 12.1. Uso de coagulantes y polielectrolitos para el tratamiento de la turbidez (Kiely, 1999)

8. PARÁMETROS DE OPERACIÓN:
 Dosis, velocidad de agitación, T, pH, tiempo
 Puede utilizarse para aguas potables, aguas residuales y espesamiento de lodos (también para lodos
de EDARU)
Fig. 12.1. Electrocoagulación (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

9. Fig. 12.2. Aparato para jar test (Kiely, 1999)

10. Fig. 12.3. Concepto de sedimentación ascendente en lecho de lodos (Kiely, 1999)

11. Consiste en la eliminación de una sustancia disuelta indeseable, por adición de un reactivo que forme un
compuesto insoluble facilitando así su eliminación
Suele aplicarse en la eliminación de metales pesados y algunos aniones como fosfatos, sulfatos o fluoruros
LOS AGENTES QUÍMICOS DE PRECIPITACIÓN TÍPICOS SON:
 Cal (para metales pesados)
 Dolomita (para metales pesados)
 Hidróxido sódico (para metales pesados)
 Carbonato sódico (para metales pesados)
 Otras sales de calcio (para sulfatos o fluoruros)
 Sulfuro sódico (para mercurio)
 Poliorganosulfuros (para mercurio)
Con frecuencia se añaden coagulantes (sales ferrosas y férricas y sulfato de aluminio) y floculantes para
facilitar una mayor separación
12.3. PRECIPITACIÓN QUÍMICA

12. ELIMINACIÓN DE FÓSFORO POR PRECIPITACIÓN QUÍMICA
• Es el proceso tradicional para eliminar fosfatos
• Los reactivos más habitualmente empleados para precipitar fosfatos son sales de aluminio, sales de
hierro y cal
• La sal de aluminio más utilizada es el sulfato
Al2(SO4)3 + 2 PO4
3- → 2 AlPO4 + 3 SO4
2-
• Las sales de hierro más utilizadas son sulfatos y cloruros tanto ferrosos como férricos (puede resultar
conveniente añadir también cal o sosa debido al carácter ácido de estas sales)
PO4
3- + Fe3+ → FePO4
2 PO4
3- + 3 Fe2+ → Fe3(PO4)2
• Cuando el ion precipitante es cal el producto resultante es la formación de hidroxiapatita insoluble
6 PO4
3- + 10 Ca(OH)2 → (PO4)6(OH)2Ca10

13. Cuando se emplea cal, los iones calcio antes de precipitar el fosfato reaccionarán con los carbonatos
(carbonato de calcio), con lo que el gasto de reactivo y el volumen de lodos producido es superior
Con Al o Fe se pueden conseguir rendimientos de eliminación del 90%. En el caso de la cal los
rendimientos son menores
EL PRECIPITANTE SE PUEDE AGREGAR:
 En el tratamiento primario (pre-precipitación)
 En el reactor biológico (precipitación simultánea) (lo más habitual)
 En un tanque de reacción adicional aguas abajo del tratamiento secundario (post precipitación)
Dosis de sales de aluminio y hierro: 1-3 veces la relación molar estequimétrica ion metálico/fósforo

14. 12.4. ADSORCIÓN
El proceso de adsorción consiste en la captación de sustancias solubles en la superficie de un sólido
Se puede utilizar para eliminar compuestos orgánicos refractarios y algunos inorgánicos (sulfuros,
nitrógeno, metales pesados)
El sólido universalmente utilizado en el tratamiento de aguas es el carbón activo. También se pueden
utilizar polímeros sintéticos y adsorbentes de base silícea, pero son poco utilizados en aguas por su alto
coste
HAY DOS FORMAS CLÁSICAS DE UTILIZACIÓN DE CARBÓN ACTIVO:
 Carbón activado granular (GAC): >0,1 mm
 Carbón activado en polvo (PAC): <0,07 mm
El PAC es difícil de regenerar aunque más fácil de producir (interés en emplear materiales residuales )

15. El GAC se puede regenerar por vía térmica calentándolo durante varios segundos en un horno (600-1000
ºC) o poniéndolo en contacto con gases calientes
La regeneración en horno permite recuperar ~ 100% de la capacidad adsorbente, pero se pierde un 2-5%
del carbón activo inicial
La cantidad de adsorbato que puede ser captada depende del pH, la temperatura y la naturaleza y
concentración del contaminante
EN GENERAL LA ADSORCIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS ES MÁS EFECTIVA CUANDO:
 La solubilidad es menor
 Las moléculas son más ramificadas
 El peso molecular es mayor
 La polaridad es menor
 El grado de saturación es menor

16. La cantidad de compuesto adsorbido en el equilibrio es función de la concentración (a T constante)
ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
FREUNDLICH:
LANGMUIR:
x/m = masa de adsorbato adsorbida por unidad de masa de adsorbente
Kf, 1/n = factor de capacidad y parámetro de intensidad de Freundlich
Ce =concentración de adsorbato en el agua en equilibrio
a, b = constantes empíricas
n
/
1
e
f C
K
m
x

e
e
C
b
1
C
b
a
m
x



17. Fig. 12.4. Carbón activado (publicado en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0 y CC BY-SA 2.5)
Tabla 12.2. Parámetros de adsorción del carbón activado (Kiely, 1999)

18. Fig. 12.5. Esquema típico de un sistema de aguas residuales que incluye filtración (Kiely, 1999)

19. CARBÓN ACTIVO GRANULAR (GAC)
Se suele utilizar en columna para eliminar elementos traza (olor, sabor)
La operación en columna es similar a lo visto para gases: sistemas de lecho fijo o lecho fluidizado
Lo más utilizado son sistemas con lecho fijo de flujo descencente
Tiempo de residencia del lecho vacío típico (EBCT): 7-20 min
EL TIEMPO DE RUPTURA (tb) SE PUEDE ESTIMAR:














2
C
C
Q
m
m
x
t
b
0
GAC
b
b
(x/m)b = capacidad de adsorción de ruptura (~25-50% de la capacidad teórica)
mGAC = masa de carbón en la columna
Q = caudal
C0, Cb = concentración de entrada y de ruptura (~5% de C0)

20. CARBÓN ACTIVO EN POLVO (CAP)
Se suele utilizar para eliminar contaminantes orgánicos refractarios (tóxicos)
Se mezcla con el agua y se elimina por filtración o decantación
EXISTEN DOS POSIBILIDADES:
• Se mezcla con el agua en un tanque y después de un cierto tiempo se separa por decantación (suele
ser necesario añadir floculantes y/o filtrar el agua)
• Se añade en el tanque de tratamiento biológico (20-200 mg/L)

21. 12.5. INTERCAMBIO IÓNICO
El intercambio iónico (II) consiste en intercambiar componentes iónicos no deseados del agua residual por
iones (cationes o aniones) más aceptables:
nRB + An+ ↔ RnA + nB+
Los iones eliminados se retienen en una resina de II (naturales o sintéticas), para ser liberados más tarde
en un líquido de regeneración
La concentración de SS debe de ser baja(ensuciamiento)
Capacidad de resinas comerciales: 2,5-4,9 meq/g
APLICACIONES:
 Eliminación de sales en bajas concentraciones (desmineralización y ablandamiento)
 En aguas residuales para eliminar metales pesados, amonio y contaminantes orgánicos ionizables
(ácidos carboxílicos, ácidos sulfónicos, fenoles, aminas, sulfatos de alquilo, mercurio orgánico)

22. SE PUEDE OPERAR EN DISCONTINUO (MEZCLA Y DECANTACIÓN) O EN CONTINUO (COLUMNA)
CICLO DE OPERACIÓN EN COLUMNA:
 Paso del agua a tratar a través de la columna de II
 Lavado en contracorriente (eliminación de partículas)
 Regeneración con una solución de bajo volumen y alta concentración (recarga la resina y libera la
especie iónica no deseada)
 Enjuague con agua
Con concentraciones de iones en el agua a tratar de 10–1000 mg/l pueden conseguirse concentraciones
de 0,1–10 mg/l (eficacias 80-99%)

23. 12.6. PROCESOS CON MEMBRANAS
• Las membranas son barreras físicas semipermeables que separan dos fases, restringiendo el
movimiento de las moléculas a través de ella de forma selectiva
• Los tratamientos con membranas son frecuentes en diversos sectores industriales, p. ej. en industria
alimentaria (concentrados de proteínas, bebidas fermentadas, desalinización de corrientes)
• Son tratamientos de elevado coste, pero cada vez más competitivos, utilizándose incluso en
tratamiento de aguas residuales
• Se pueden fabricar con materiales poliméricos, cerámicos o metálicos, en forma de láminas planas,
tubulares o del tipo denominado fibra hueca (estructuras tubulares con 0,1-1,0 mm de diámetro
externo que se disponen en módulos compactos)
• Existen dos formas de operar: filtración en línea o tangencial
• El ensuciamiento de la membrana se corrige cambiando la dirección de flujo (ensuciamiento
superficial) y con productos químicos

24. MICROFILTRACIÓN (MF)
Diferencia de presión: 100-500 kPa
Capacidad de separación: 0,1–10 µm (sólidos suspendidos y bacterias)
EJEMPLOS DE APLICACIÓN EN TRATAMIENTO DE AGUAS:
 Eliminación de microorganismos en aguas de consumo doméstico e industrial (sector farmacéutico)
 Eliminación de microcontaminantes en aguas de proceso de la industria de componentes electrónicos

25. ULTRAFILTRACIÓN (UF)
Diferencias de presión: 100-800 kPa
Capacidad de separación: 0,1-0,01 µm (coloides y macromoléculas)
Costes demasiado altos para que pueda aplicarse como única tecnología de tratamiento de grandes
caudales de agua residual (puede usarse combinada con otra tecnologías: reactores biológicos de
membrana, pretratamiento en OI)
Como única tecnología se utiliza en el tratamiento de efluentes residuales de bajo caudal (<25 m3/día)
donde se plantee recuperar un producto valioso y/o reutilizar el agua, por ejemplo:
 Recuperación de proteínas en la industria de la alimentación
 Recuperación de partículas de pintura del agua
 Recuperación de polímeros sintéticos en la industria textil
 Recuperación de aceites en aguas de la industria metalúrgica

26. NANOFILTRACIÓN (NF)
• Diferencias de presión: 7-14 bar
• Capacidad de separación: 10-1 nm
• Ejemplos de aplicación:
Tratamiento de aguas de consumo en pequeñas comunidades
Eliminación de la dureza del agua
Pretratamiento para la obtención de agua ultrapura
ÓSMOSIS INVERSA (OI)
• Diferencias de presión: 7-70 bar
• Capacidad de separación: 1-0,1 nm (iones; permite obtener agua pura)
• Se usa sobre todo en la desalinización de agua del mar y la producción de agua ultrapura
• Altos costes de operación que limitan su empleo en aguas residuales a aquellas industrias donde la
recuperación de componentes valiosos o la reutilización del agua mejoren la economía del proceso, p.
ej. industrias de galvanoplastia, de pintura o textil

27. Fig. 12.6. Esquema de la ósmosis inversa (Kiely, 1999)

28. ELECTRODIÁLISIS (ED)
• Utilizan membranas donde se han incorporado grupos con cargas eléctricas con el fin restringir
selectivamente el paso de los iones
• Un equipo de ED está formado por un conjunto de membranas aniónicas (permiten el paso de los
aniones) y catiónicas (permiten el paso de los cationes) dispuestas en forma alterna
• El agua se hace fluir y la diferencia de potencial provoca un flujo transversal de cationes hacia el
cátodo y de iones hacia el ánodo
• El influente se separa en dos : concentrado y desalinizado
• Se usa sobre todo en la desalinización de agua del mar y la concentración de salmueras
CON MENOR MERCADO, OTRAS POSIBLES APLICACIONES SON:
Eliminación de la dureza del agua
Desalado del suero de queso
Recuperación de ácido tánico en vinos
Recuperación de ácido cítrico en zumos
Recuperación de ácidos de los baños electrolíticos
Eliminación de metales pesados de las aguas de procesos de galvanoplastia

29. Consiste en eliminar un contaminante gaseoso que se encuentre disuelto en el agua transfiriéndolo a una fase
gas (normalmente aire) con la que se pone en contacto
• Se usa para eliminar del agua amoniaco, H2S o COVs (benceno, tolueno, cloruro de vinillo)
• El equipo más habitualmente utilizado para el stripping es una torre de relleno alimentada en
contracorriente
En el caso del amoniaco, para que el proceso sea efectivo, el equilibrio amonio/amoniaco debe de estar
desplazado hacia el amoniaco con lo que se suele añadir cal o hidróxido sódico para subir el pH
NH3 + H2O ↔ NH4
+ + OH-
• Se pueden conseguir eficacias de eliminación de amoniaco superiores al 90%
• El aire enriquecido con amonio puede ser regenerado por absorción en medio ácido, obteniéndose sulfato
o nitrato amónico
PROBLEMAS:
Formación de incrustaciones de carbonato de calcio (precipitación previa)
Bajo rendimiento en tiempo frío
12.7. STRIPPING

30. ECUACIONES DE DISEÑO PARA UNA TORRE DE STRIPPING:
NTU
x
HTU
z 
A
a
k
L
HTU
L

  





 









S
1
1
S
C
/
C
ln
1
S
S
NTU e
0















T
P
H
L
G
S
z = altura de la torre de relleno (m)
HTU = altura de la unidad de transferencia (m)
NTU = número de unidades de transferencia
L = caudal de líquido (m3/h)
kLa = coeficiente de transferencia de materia
A = sección de la torre (m2)
S = factor de stripping
C0, Ce = concentración de contaminante en el
líquido a la entrada y a la salida (M)
(G/L) = relación molar gas/líquido
H = constante de Henry (atm)
PT = presión (atm)
S = 1 → mínima cantidad de aire requerida para el stripping
S > 1 → exceso de aire
S < 1 → defecto de aire

31. 12.8.1. PROCESOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN
12.8. PROCESOS DE OXIDACIÓN
• Se definen como aquellos procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en
cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos presentes en el medio
• Los radicales hidroxilo son capaces de oxidar, en condiciones de P y T ambiente, prácticamente todos
las especies reducidas presentes en el agua
• Adecuado para efluentes refractarios con baja DQO
• Puede perseguirse la mineralización completa (CO2 + H2O + sales), o ser suficiente transformar los
compuestos refractarios en especies más fácilmente degradables por vía biológica
• Los AOP se diferencian en la forma en la que generan los radicales hidroxilo (combinaciones de
ozono, peróxido de hidrógeno, radiación UV y fotocatálisis)

32. TRATAMIENTOS POCO IMPLANTADOS EN LA PRÁCTICA; A ESCALA COMERCIAL:
 Ozono/UV
 Ozono/peróxido de hidrógeno
 Ozono/uv/peróxido de hidrógeno
 Peróxido de hidrógeno/UV
PROBLEMAS OPERACIONALES:
La eficacia del proceso puede verse afectada por diversos factores (SS, pH, naturaleza del efluente)

33. • Es un proceso en el que la materia orgánica soluble o en suspensión se oxida con oxígeno disuelto,
procedente del aire o de corrientes gaseosas enriquecidas en oxígeno, en condiciones de alta presión
y temperatura
• En la mayoría de los casos la química del proceso transcurre por vía radicalaria (son los radicales
formados a partir del oxígeno los que reaccionan con la materia orgánica)
• Puede ser catalítica (CWAO) o no catalítica
• En la WAO no catalítica no se suele alcanzar la mineralización completa, quedando un remanente en
forma de ácidos carboxílicos (fórmico, acético, oxálico)
• La CWAO está especialmente indicada en el caso de efluentes con altos contenidos en materia
orgánica
• Los catalizadores pueden ser homogéneos (Fe, Cu) o heterogéneos (metales u óxidos metálicos
soportados)
12.8.2. OXIDACIÓN HÚMEDA (WAO)

34. El empleo de catalizador permite:
 Acortar los tiempos de residencia o alcanzar mayores tasas de mineralización
 Destruir algunos compuestos inorgánicos (cianuros, amoniaco)
 Trabajar a presiones y temperaturas más bajas
En la actualidad existen en el mundo más de un centenar de plantas: efluentes de industrias química,
petroquímica y farmacéutica y lodos biológicos
Ej. Proceso LOPROX (Bayer)
 Catalizador homogéneo: Fe(II)
 T: 150-200ºC
 P: 5-20 atm
 TRH: 1-3 h
 Rendimiento DQO: 90%

35. Fig. 12.7. Diagrama esquemático del proceso Vertech de oxidación húmeda (Kiely, 1999)