INTRODUCCIÓN
En la Empresa Ernesto Che Guevara (ECG) se consumen anualmente más de nueve (9) millones de m3 de agua, de ello, más de siete (7) millones de m3 se vierten a las cinco canalizaciones con que cuenta la empresa para el trasiego hasta la zona costera de las aguas residuales del proceso fabril; la composición de estas aguas posee gran cantidad de sólidos en suspensión y elementos que se encuentran fuera de los límites permisibles para su vertimiento, según lo estipulado en la norma cubana NC 521:2007Vertimiento de aguas residuales a la zona costera y aguas marinas-Especificaciones.
Teniendo en cuenta que el volumen de agua que es vertido al medio es significativo, se hace necesario tomar acciones encaminadas a la recuperación, de al menos una parte, del agua que es desechada por esta empresa a través del sistema de desagüe y aplicar tratamientos a estos residuales para disminuir la carga contaminante presente en los mismos. Con este objetivo fue propuesto un proyecto de investigación por el Centro de Investigaciones del Níquel, el que se enfocó específicamente en la canalización denominada MAE-3, la que trasiega agua proveniente de la planta de secado y molienda del mineral, taller mecánico, planta termoeléctrica, laboratorio analítico central, planta de recuperación de amoníaco y de la cocina comedor de la empresa, esta canal vierte como promedio 276 m3/h.
Los sólidos en suspensión contenidos en este residual son elevados y por ello un tratamiento por coagulación- floculación podría ser una alternativa para su disminución y de los elementos contaminantes asociados a los mismos, pudiéndose obtener un agua con características adecuadas para su utilización en la industria. En el caso del nitrógeno, que es otro de los elementos que se encuentra fuera de los límites permisibles para el vertimiento, el intercambio iónico con zeolita puede ser una solución para la disminución de la concentración del mismo en el residual.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para determinar la dosis óptima de los coagulantes y floculantes a utilizar, es necesario realizar pruebas de jarras en una mesa de coagulación para, de forma analítica y visual, determinar la eficacia de cada coagulante y floculante en el proceso (ATW, 2001).
Materiales
Agua residual
Tabla 1.
Características del residual de la MAE-3 (Rivas, et al. 2017)
| Elementos | Prom. | Máx. | Mín. | NC 521:2007Límite permisible |
|---|---|---|---|---|
| Ni, mg/L | 10,21 | 39,42 | 0,20 | 4 |
| pH | 8,47 | 8,95 | 7,34 | 5,5-9,0 |
| Fe, mg/L | 0,12 | 0,24 | 0,00 | 10 |
| Cr, mg/L | 0,03 | 0,10 | 0,00 | 5 |
| S.S., mg/L | 271,22 | 1 437,00 | 28,00 | 75 |
| Sól Sed | 1,25 | 2,00 | 1,00 | 10 |
| A&G, mg/L | 53,75 | 120,00 | 0,00 | 30 |
| DQO, mg/L | 27,50 | 50,00 | 10,00 | 190 |
| DBO5, mg/L | 32,00 | 60,00 | 8,00 | 75 |
| Al, mg/L | 0,10 | 0,24 | 0,00 | 5 |
| Cd, mg/L | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,2 |
| Pb, mg/L | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,2 |
| Cu, mg/L | 0,01 | 0,03 | 0,00 | 2 |
| Hg, mg/L | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,01 |
| Cr 6+, mg/L | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,2 |
| T, ºC | 36,60 | 38,50 | 35,30 | 40 |
| Hidrocarburos totales, mg/L | - | 2,40 | <1 | 10 |
| As, mg/L | FL | 0,3 | ||
| Cianuro total, mg/L | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1 |
| Compuestos fenólicos, mg/L | <0,02 | <0,02 | <0,02 | 0,5 |
| P total, mg/L | FL | 5 | ||
| Organoclorados, mg/L | S.G.A. | S.G.A. | S.G.A | 1,5 |
| N total, mg/L | 213,14 | 419,00 | 7,28 | 20 |
| Tolueno, mg/L | S.G.A. | S.G.A. | S.G.A | 0,7 |
| Tricloroetano, mg/L | S.G.A. | S.G.A. | S.G.A | 0,04 |
| Triclorometano, mg/L | S.G.A. | S.G.A. | S.G.A | 0,02 |
| Zn, mg/L | 0,07 | 0,14 | 0,02 | 10 |
| Coliformes totales | 5,33 | 16,00 | 0,00 | 1000 |
Leyenda:
S.S.: Sólidos en suspensión
Sól Sed.: Sólidos sedimentables
A&G: Aceites y grasas
DQO: Demanda química de oxígeno
DBO 5 : Demanda biológica de oxígeno
S.G.A.: Sin garantía analítica
FL: por debajo del límite de lectura del equipo (As <0,07 y P <0,03)
Floculantes (fabricados por la firma francesa SNF en forma de sólidos granulados)
Tabla 2.
Características de los floculantes (Rodríguez, et al.)
Métodos y metodologías empleadas
Toma de las muestras
Para la toma de las muestras se tuvieron en cuenta aspectos indispensables para la seguridad del personal, representatividad y conservación de las mismas (Norma Colombiana, 2007; Manual colombiano, 2011; ISA 5667-5, 2006 y NTE, 1998), tales como:
portar guantes para la toma y manipulación de las muestras;
los pomos para las muestras a realizarles análisis físico-químico, con tapa rosca garantizándose la seguridad en el cierre;
las muestras para análisis de coliformes fecales, se deben tomar en frascos esterilizados, protegida la tapa con papel resistente. Dejar espacio vacío desde el límite del líquido a la tapa y cuidar no se moje la boca del frasco durante la toma de las muestras;
para las muestras de DBO5 y DQO (demanda biológica de oxígeno y demanda química de oxígeno, respectivamente) llenar los recipientes hasta la boca del frasco, velar porque no se formen burbujas, lo que garantiza de que no quede atrapado en el frasco oxígeno del ambiente;
el control de la temperatura y del pH realizarlo en el momento de toma de las muestras.
Metodología para la evaluación de coagulantes (Menés, et al. 2016)
Homogeneizar la muestra de agua residual a utilizar para las evaluaciones;
tomar muestra para determinar pH y enviar al laboratorio para los análisis a realizar;
medir el volumen de agua a utilizar y añadirla en cada beaker;
fijar una agitación de 100 rpm en el agitador para mantener una turbulencia uniforme, 1 min;
bajar la agitación a 20 rpm.
adicionar el coagulante según la dosis a evaluar;
aumentar velocidad de agitación a 100 rpm por 3 min;
parar agitación y tomar muestras a los 30 min;
medir pH y enviar muestra al laboratorio.
Metodología para la evaluación de floculantes (Menés, et al. 2016)
Desarrollar los pasos del 1 al 7,de la maetodología para la evaluación del coagulante;
bajar la agitación a 20 rpm, mantenerlo durante 5 min;
adicionar el floculante según la dosis;
mantener agitación durante 5 min;
parar agitación y tomar muestras a los 30 min;
medir pH y enviar muestra al laboratorio.
Metodología para las corridas de intercambio iónico
Acondicionando la zeolita
Tomar muestra inicial y realizar análisis de amoníaco por valoración;
fijar tiempo de muestreo para que sea muestreado cada volumen de la cama (BV);
alimentar solución de ácido clorhídrico al 10 % a columna previamente acondicionada con 100 mL de zeolita, con calibración del flujo a evaluar;
tomar muestras para la medición de pH;
cuando 3 muestras tengan pH ácidos (estables) dejar muestreo;
lavar resina con agua destilada hasta lograr pH cercanos al del agua destilada;
alimentar solución de NaCl al 10 %;
cuando 3 muestras tengan pH básicos altos parar muestreo;
alimentar agua residual;
tomar muestras para la determinación de amoníaco;
cuando 3 muestras tengan amoníacos similares al inicial dejar muestreo;
lavar resina con agua destilada.
Sin acondicionar la zeolita
Tomar muestras inicial y realizar análisis de amoníaco por valoración
Fijar tiempo de muestreo para que sea muestreado cada volumen de la cama (BV)
Alimentar agua residual
Tomar muestras para la determinación de amoníaco
Cuando 3 muestras tengan amoníaco similares al inicial dejar muestreo
Lavar resina con agua destilada
Tabla 4.
Técnicas analíticas
Equipamiento:
Equipos:
Mesa de coagulación (ASTEL)
Equipo para medir turbiedad (HACH 210Q is).
Equipo para medir color (HACH DR-2800).
Equipo para medir pH (HANNA HI 9126).
Balanza analítica (KERN ABS 120-4)
Cristalería:
Miscelánea:
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Después de evaluados todos los coagulantes a las dosis de 10, 15 y 20 ppm los mejores resultados de precipitación de los sólidos en suspensión se obtuvieron con los coagulantes sulfato de aluminio, policloruro de aluminio, AC 851, 80/20 ACH/PRP 4540 y Poly+CAT N 9010/5460. En la figura 1 se muestran los resultados obtenidos con estos cinco coagulantes a las dosis evaluadas.
Los mejores resultados de precipitaciones se obtienen con las dosis de 10 y 15 ppm, escogiéndose para las corridas posteriores con floculantes el coagulante sulfato de aluminio a dosis de 10 ppm, dado a que el mismo es producido en el país.
Figura 1.
Precipitación de los sólidos en suspensión
Corridas experimentales de evaluación de floculantes
Para mejorar la disminución de los sólidos en suspensión presentes en el residual fueron evaluados diferentes floculantes de diferentes densidades de carga y pesos moleculares, a dosis de 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 y 1,0 ppm.
A la dosis de 0,8 ppm se lograron los mayores valores de disminución de los sólidos suspendidos, en 11 floculantes con precipitación de 100 %. Los resultados obtenidos no muestran que exista relación entre el peso molecular y la densidad de carga de los floculantes con la precipitación de los sólidos. Tabla 5.
Tabla 5.
Precipitación de los sólidos en suspensión con diferentes floculantes y dosis, %. (Coagulante sulfato de aluminio a 10 ppm)
Además se determinó la disminución de los sólidos sin adicionar ningún reactivo y solo se logra el 78,57 % de eliminación de los mismos.
Se seleccionaron los cuatro floculantes de mejores resultados para hacer pruebas confirmatorias y se adicionó a la investigación el A 130 que es el floculante que se utiliza en la planta potabilizadora de agua de la ECG; los resultados para todos los floculantes a todas las dosis mejoraron con respecto a lo obtenido en las pruebas exploratorias, solo el AN 910 VHM obtiene resultados de precipitación de sólidos inferiores al 80 % a dosis de 0,6 y 0,8 ppm (ver figura 2).
Figura 2.
Confirmación de los resultados de precipitación de los sólidos utilizando floculantes
Teniendo en cuenta estos resultados y que el A 130 es un floculante que ya está en existencia en la ECG, se decidió escoger este floculante a la dosis de 0,6 ppm debido a que a esta dosis se observó la mejor formación de flóculos.
Corridas experimentales de intercambio iónico
Uno de los elementos que se encuentra fuera de los límites permisibles para el vertimiento es el nitrógeno, luego de aplicar la coagulación - floculación su concentración se mantiene por encima de los 240 mg/L y en la NC 521:2007 se establece que no puede exceder los 20 mg/L. Después de realizar un estudio de los posibles tratamientos, se decide aplicar el intercambio iónico con zeolita, mineral que tiene depósitos en prácticamente todas las provincias del país (Orozco et al., 1998) y que ha sido utilizado por otros autores para la eliminación del amoníaco en agua (Córdova, et al., 2013; Abran et al., 2016; Halbinger, et al,(s.a); Pavón et al., (s.a) y Rodríguez et al, (s.a).
En la figura 3 se muestran los resultados de los experimentos realizados, en los que se varió el tratamiento previo a la zeolita y los flujos de alimentación, teniendo en cuenta lo descrito en la literatura consultada. En ninguno de los ensayos se logró la eliminación total del amoníaco, aunque se disminuye la concentración del mismo no se logran valores inferiores al límite de nitrógeno que es regulado por la norma 20 mg/L (amoníaco equivalente de aproximadamente 24,25 mg/L).
El mejor resultado se obtuvo dejando en contacto la zeolita con el NaCl durante 72 horas, con este tratamiento previo se logró reducir la concentración de amoníaco hasta un 15,38 % de su contenido inicial, teniéndose el punto de ruptura cuando se han circulado 4 BV.
Figura 3.
Evaluación de la zeolita con diferentes condiciones de trabajo.
Evaluación de la reincorporación del agua
En la Empresa Comandante Ernesto Che Guevara el agua cruda es utilizada una parte para la reposición en los sistemas de enfriamiento, en los sistemas de alta presión, en parte de los baldeos de las plantas, para el regado de los caminos mineros y para formar la película de agua del dique de cola; el agua potable es consumida por todos los procesos de la planta termoenergética, como parte de la reposición de los sistemas de enfriamiento, para la limpieza de las plantas de secado del mineral y en la de calcinación, además de ser consumida por los trabajadores.
Teniendo en cuenta que el consumo es elevado y que los tipos de aguas y fines son diversos, se realizó un análisis para definir en qué punto del proceso es posible reincorporar el residual tratado, teniendo en cuenta las características obtenidas después del tratamiento, tabla 6.
Primeramente se valoró la posibilidad del uso en los sistemas de enfriamiento, esta variante no es posible porque existen varios parámetros que están fuera de los rangos establecidos, ejemplo: el pH es de un agua incrustante lo que no es conveniente para estos sistemas, esta característica también se aprecia en los valores de alcalinidad tan elevados, lo que da la medida de que es una fuente potencial de depósitos; de igual manera el amoníaco tan elevado desactiva la acción de los biócidas utilizados en estos sistemas para el control biológico.
Luego se evaluó sustituir parte del agua potable que es alimentada a la sección de tratamiento químico de la planta termoenergética, la que produce un agua suavizada que es alimentada a las torres de absorción de amoníaco; esta variante, según la caracterización realizada, no posee ningún inconveniente y tiene la ventaja de que posee una concentración de amoníaco que enriquecería el licor débil obtenido para ser usado en la planta de lixiviación y lavado.
De igual forma podría ser utilizada sustituyendo parte del agua cruda que es regada sobre los caminos mineros, la que es adicionada al dique de cola y en el baldeo de las diferentes plantas de proceso, siempre y cuando se logre un mayor porcentaje de eliminación del amoníaco contenido.
Tabla 6.
Características del residual tratado
| Elementos | Residual tratado por coagulación-floculación | Residual después del intercambio iónico | Valores máximos para el uso en sistemas de enfriamiento (https://es.escrib.com, 2018) |
|---|---|---|---|
| pH | 8,97 | 8,65 | 7,5-8,5 |
| Si, mg/L | 0 | 0 | < 180 |
| Alcalinidad, mg/L | >1 000 | >1 000 | < 25 |
| Dureza total, mg/L | 322,43 | 173,82 | < 400 |
| Cloruros, mg/L | 978 | 626 | < 300 |
| Ca, ppm | 54,75 | 56,75 | - |
| Mg, ppm | 45,1 | 7,8 | - |
| Dureza cálcica, mg/L | NP | NP | < 200 |
| Turbidez, NTU* | 3 | 2 | < 20 |
| Color, U** (Pt/Co) | 9 | 2 | - |
| Conductividad, µs/cm | 6,01 | 5,57 | <4 000 |
| Hierro, mg/L | 0 | 0 | < 0,05 |
| Cobre, mg/L | 0 | 0 | < 0,01 |
| Aceites y grasas, mg/L | 0 | 0 | - |
| Sólidos en suspensión, mg/L | 9 | 0 | - |
| NH3, mg/L | 2 640,30 | 406,20 | < 5 |
NP: No procede, por el método de valoración no fue posible determinar estos elementos, no se observó cambio de coloración de las muestras.
ESQUEMA PROPUESTO
Descripción del esquema
El esquema propuesto para el tratamiento de la MAE 3 es el siguiente: alimentar el agua residual a un reactor con dos compartimientos provistos de mecanismos de agitación; en el primero se le inyectaría la solución del coagulante y en el segundo con una agitación inferior el floculante. La mezcla de estos componentes entra a un clarificador donde los sólidos sedimentan, enviándolos a la presa de cola y el efluente a las columnas de intercambio iónico con zeolita; pasando el agua resultante a un depósito, la que posteriormente puede ser utilizada en la sección de tratamiento químico de la planta termoenergética para la producción de agua suavizada; sustituyendo el agua cruda que es utilizada para el baldeo; para regar los caminos mineros o para adicionar al dique de cola.
Cálculo del gasto de operaciones
Se realizó un balance de materiales y se estimaron los gastos, por concepto de materiales a emplear en las operaciones de coagulación-floculación, definiéndose que es posible reincorporar al proceso un volumen anual de 2 106 816,72 m3 de agua, para lo cual se debe gastar 26 604,79 pesos en reactivos químicos, arrojando un ahorro de 500 099,39 pesos anuales.
CONCLUSIONES
Después de hacerse el análisis de la propuesta de tratamiento al residual, se concluye que es posible recuperar el agua que es vertida a la canalización MAE-3 de la ECG, lo que reincorpora al proceso 2 106 816,72 m3 anuales de agua, con un gasto por concepto de reactivos de 26 604,79 pesos/año, mediante un esquema de operación sencillo que consta de un reactor con dos compartimentos, un clarificador y columnas para el intercambio iónico.