Ciencias Técnicas y Aplicadas
Artículo de investigación
Diseño y construcción de un equipo de floculación horizontal: El caso de un laboratorio universitario
Design and construction of a horizontal flocculation unit: The case of a university laboratory
Concepção e construção de uma unidade de floculação horizontal: o caso de um laboratório universitário
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Correspondencia: gerardo.leon@espoch.edu.ec
*Recibido: 02 de enero 2022 *Aceptado: 31 de enero de 2022 * Publicado: 22 de febrero de 2022
I. Doctor en Química. Master en Protección Ambiental. Facultad de Ciencias. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). Riobamba, Ecuador
II. Ingeniero en Sistemas Informáticos, Magister en Interconectividad de Redes. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). Riobamba, Ecuador
III. Doctora en Química (Pregrado). Magíster en Protección Ambiental. Grupo Asociado de Investigación en Biotecnología, Ambiente y Química (GAIBAQ)-ESPOCH. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). Riobamba, Ecuador
Resumen
Esta investigación presenta las fases de diseño y construcción de un floculador horizontal y su implementación en el laboratorio de hidráulica de la Facultad de Ciencias de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, ubicada en Ecuador. A través de una investigación documental y experimental se diseñó y construyó el equipo de floculación horizontal, el mismo fue sometido a ensayos de floculación del agua sintética para determinar su uso y funcionamiento. En las pruebas piloto se concluye que después del proceso de floculación con el equipo los parámetros de calidad del agua de color, SST y turbidez disminuyeron con relación a los valores iniciales, lo cual fue corroborado con pruebas de laboratorio.
Palabras clave: agua sintética; tratamiento de aguas; ingeniería; floculación; calidad de agua
Abstract
This research presents the design and construction phases of a horizontal flocculator and its implementation in the hydraulics laboratory of the Faculty of Sciences of the Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, located in Ecuador. Through a experimental research, the horizontal flocculation equipment was designed and built, and was subjected to synthetic water flocculation tests to determine its use and operation. In the pilot tests it was concluded that after the flocculation process with the equipment the water quality parameters of color, TSS and turbidity decreased in relation to the initial values, which was corroborated with laboratory tests.
Key words: synthetic water; water treatment; engineering; flocculation; water quality.
Resumo
Esta investigação apresenta as fases de concepção e construção de um floculador horizontal e a sua implementação no laboratório de hidráulica da Faculdade de Ciências da Escola Superior Politécnica de Chimborazo, localizada no Equador. Através de uma pesquisa experimental, o equipamento de floculação horizontal foi concebido e construído, e foi submetido a testes de floculação de água sintética para determinar a sua utilização e funcionamento. Nos testes piloto conclui-se que após o processo de floculação com o equipamento, os parâmetros de qualidade da água de cor, TSS e turbidez diminuíram em relação aos valores iniciais, o que foi corroborado com testes laboratoriais.
Palavras-chave: água sintética, tratamento de água, engenharia, floculação, qualidade da água, qualidade da água.
Introducción
El agua es un elemento vital para la humanidad, dentro de las características físicas del agua ese encuentran la temperatura, el color, el sabor y el olor. Las propiedades químicas del agua incluyen parámetros como el pH y el oxígeno disuelto. El control de estas características ayuda a determinar si el agua es segura para el consumo humano y el medio ambiente.
Características físicas de la calidad del agua
El control de los aspectos físicos del agua permite determinan la calidad del agua y si se encuentra apta para su consumo o está contaminada; se detalla las siguientes características del agua como el color que es pura incolora, el agua con una coloración puede ser un signo de contaminación, de sustancias orgánicas. Otra característica es la turbidez, el agua pura es clara y no absorbe luz, lo contrario indica contaminación. En cuanto al sabor y el olor, el agua pura es insípida e inodora, si no cumple con estos aspectos es signo de contaminación. Igualmente, la temperatura del agua, aunque no se utiliza de manera directa para evaluar si el agua es potable o no, se sabe que e los lagos y ríos si es un factor físico que ayuda a determinar la calidad. Los sólidos del agua se filtran para eliminar los sólidos en suspensión, el sólido restante en el agua indica el total de sólidos disueltos. Si los sólidos disueltos en el agua superan los 300 mg/l, afectan negativamente a los organismos vivos y a los productos industriales. (Spellman, 2020)
Por parte de las propiedades químicas del agua, se tiene el pH del agua que mide entre 0 y 14 para determinar su grado de acidez o alcalinidad. La medición se realiza utilizando una escala logarítmica.
Oxígeno disuelto: es el nivel de oxígeno libre, no compuesto, presente en el agua u otros líquidos. Es un parámetro esencial para evaluar la calidad del agua debido a su influencia en los organismos que viven en una masa de agua. (Element, 2020)
Asimismo, el rápido desarrollo de la industria de todo tipo alrededor del mundo ha sido acompañado de diversas aguas residuales que contienen diferentes tipos de contaminantes disueltos y no disueltos de tal forma que la contaminación del agua es cada vez mayor. (Schwarzenbach et al., 2006; Shannon et al., 2008)
Existen diferentes prácticas de tratamientos de agua y, de hecho, la mayoría de ellas; como la coagulación, la floculación y la clarificación, se remontan a cientos y, en algunos casos, a miles de años. (Rodríguez Miranda et al., 2015)
En el caso de la floculación, se conoce que es un proceso físico que se obtiene mediante una mezcla suave y prolongada de las colisiones entre partículas y promover la formación de partículas más grandes. Las partículas floculadas son lo suficientemente grandes como para que puedan ser eliminadas por sedimentación o por filtración con un tamaño de poro relativamente grande, incluyendo una tela de tejido apretado. (Masojídek y Torzillo, 2014) (Narayanan & Hough, 2004)
La eficacia de la floculación depende en gran medida de los floculantes utilizados, que se dividen en dos clases distintas; coagulantes inorgánicos y floculantes poliméricos orgánicos que incluyen los sintéticos y los naturales. Asimismo, diferentes estudios sugieren el uso de los anteriores en los procesos de floculación dado su grado de adsorción en partículas coloidales cargadas negativamente, lo que resulta en simultáneamente la reducción de la carga superficial y la formación de micro flóculos (Li et al., 2005, 2006). De esta forma y normalmente se requieren grandes dosis de coagulantes inorgánicos para una floculación eficiente, lo que provoca la producción de grandes volúmenes de lodos de hidróxido metálico y el consiguiente problema de eliminación. (Costa & de Pinho, 2004)
Igualmente, según Yang et al. (2016) otros inconvenientes de los coagulantes inorgánicos son:
Su alta sensibilidad al pH, su ineficacia con las partículas muy finas partículas y aplicables sólo a unos pocos sistemas dispersos y el aumento de la concentración de metales en el agua tratada puede suponer graves problemas para la salud de las personas. (p.61)
En este sentido existen los conocidos floculadores que tiene como objetivo proporcionar al agua coagulada una agitación lenta con velocidades decrecientes y de esta manera;
promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas. (Equipos y laboratorios de Colombia, 2016) (Costa & de Pinho, 2004)
Con estos antecedentes, este artículo tiene como objetivo presentar el proceso de diseño y construcción de un floculador horizontal para su implementación en un laboratorio universitario, específicamente en la Facultad de Ciencias de la ESPOCH.
Metodología
Metodológicamente, se llevó a cabo una investigación de tipo documental y experimental, ya que en un primer momento se investigó en diferentes fuentes académicas y técnicas para el proceso de diseño y construcción, además mediante esta revisión documental se puedo determinar cuáles son aquellas sustancias causantes de la turbiedad y de esta manera utilizar el material más contaminante en el agua sintética a tratar. (Frías, 1996) Una vez realizada la investigación de fuentes relevantes se identificaron las condiciones óptimas de operación del equipo, las cuales solamente fueron posibles de establecer después de diversos ensayos y pruebas piloto del equipo a fin de obtener el mejor rendimiento en el proceso de floculación. Además de dichos ensayos y pruebas para la medición de los parámetros de calidad del agua en el floculador horizontal fue necesario el uso del espectrómetro para obtener el valor de absorbancia de las muestras del agua y el uso del turbidímetro y pHmetro para el valor de turbidez y pH, respectivamente.
La caracterización del agua sintética consistió en contaminar el agua de la llave común, analizar la muestra de agua de manera físico y química, del mismo modo se realizó un análisis espectrofotométrico antes del proceso de floculación. Asimismo, se añadió arcilla como sustancia contaminante como parte del experimento.
Igualmente, se detalla el proceso de contaminación del agua que consistió en adicionar 1.0 gramos de arcilla en un vaso de precipitación que contenía 1 litro de agua de la llave, enseguida se homogenizó la solución mediante un agitador magnético.
Una vez contaminada el agua se analizaron las propiedades físico y químicas de la muestra en donde; se tomó una muestra del agua sintética, se lavaron los electrodos y celdas de los equipos utilizados con agua destilada, se midieron los parámetros del agua sintética con los equipos específicos para ello.
Tabla 1: Parámetros analizados en el agua sintética antes del proceso de floculación
Fuente: Mejía, 2017
Para el análisis de espectrofotometría del agua sintética antes del proceso de floculación se midió la absorbancia de las muestras de agua sintética. En primer lugar, se tomó una muestra del agua sintética en tubos de ensayo, se lavó la cubeta de cuarzo con el agua destilada y la piseta, posteriormente se secó la cubeta con toallas de papel evitando tocar las paredes transparentes, se homogenizó y llenó la cubeta con agua destilada para encerar el equipo, se midió el valor de absorbancia a 575 nm, se lavó y secó la cubeta de cuarzo. Una vez realizado, se homogenizó y llenó la cubeta de cuarzo con la muestra de agua sintética para finalmente, medir el valor de absorbancia a 575 nm.
Resultados
El proceso de diseño y construcción del floculador horizontal y su implementación que se llevó a cabo para el laboratorio de ciencias de la ESPOCH se basó en el dimensionamiento, establecido según el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Tabla 2.
Se presenta el plano del floculador horizontal (Figura 1) que permitió realizar el diseño para su creación.
Figura 1: Plano del floculador horizontal
Fuente: Autores, 2017
Del mismo modo en las siguientes tablas se detallan los parámetros analizados del agua sintética que se sometió al proceso de floculación. Por su parte, el análisis espectrofotométrico del agua sintética se realizó por duplicado y se detalla en el gráfico 1 y 2.
Tabla 2: Resultados obtenidos de los parámetros analizados en el
agua sintética antes del proceso de floculación
Fuente: (CEPIS, 2004 págs. 92-93)
Gráfico 1: Absorbancia vs longitud de onda de la muestra de agua sintética del primer análisis
Fuente: Mejía, 2017
Gráfico 2: Absorbancia vs longitud de onda de la muestra de agua sintética del segundo análisis
Fuente: Mejía, 2017
La absorbancia en el primer análisis fue de 0.227 mientras que en el segundo análisis fue de 0.233, se obtuvo en promedio un valor de 0.230 de absorbancia a una longitud de onda de 575 nm.
Diseño del floculador horizontal
Cálculo de la longitud de canal
La longitud de canal se obtuvo mediante la Ec. 2-1.
Datos
𝑉1 = 5.33 × 10−3 m/s
𝑇1 = 900 s
Se reemplazaron los datos en la ecuación:
𝑙1 = 𝑉1 × 𝑇1
𝑙1 = 5.33 × 10−3 m/s × 900 s
𝑙1 = 4.8 𝑚
Cálculo de la sección del canal
Datos
Q = 2.7 × 10−4 m³/s
𝑉1 = 5.33 × 10−3 m/s
Se reemplazaron los datos en la ecuación:
𝐴1 = 0.051𝑚²
Cálculo del ancho del canal
El ancho del canal se obtuvo mediante la Ec. 4-1.
Datos
𝐴1 = 0.051m²
H = 0.4 m
𝑎1 = 0.13 𝑚
Cálculo del ancho de vueltas
Datos
a1 =0.13 m
𝑑1 = 1.5𝑎1
𝑑1 = 1.5(0.13)
𝑑1 = 0.195 m
Cálculo del ancho del floculador
Datos
b = 0.13 m d1 = 0.195m
𝐵 = 3𝑏 + 𝑑1
𝐵 = 3 × (0.13 m) + 0.195 m
𝐵 = 0.585 𝑚
Cálculo del número de canales
Datos
l1 = 4.8m
B = 0.585 m
𝑁1 = 8.2 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
Cálculo de la Longitud total
Datos
N1 = 8.2
a1 = 0.13 m
e = 0.006
𝐿1 = 𝑁1𝑎1 + (𝑁1 − 1)
𝐿1 = (8.2 × 0.13𝑚) + (8.2 − 1) × (0.006𝑚)
𝐿1 = 1.12 𝑚
Cálculo de la pérdida de carga en las vueltas
Donde K = 3
g = 9.8 m/s²
𝑉1 = 5.33 × 10−3 m/s
ℎ1 = 3.13 × 10−5m
Cálculo de perímetro mojado de las secciones
Datos
H = 0.4 m
a1 = 0.13 m
𝑃1 = 2𝐻 + 𝑎1
𝑃1 = 2 × 0.4𝑚 + 0.13𝑚
𝑃1 = 0.93 𝑚
Cálculo del radio hidráulico
Datos:
𝐴1 = 0.051 m²
𝑃1= 0.93 m
𝑟1 = 0.054 𝑚
Cálculo de pérdida de carga en los canales
Datos
n = 0.03
𝑉1 = 5.33 × 10−3 m/s
𝑟1 = 0.054 m
𝑙1 = 4.8 m
Cálculo de la pérdida de carga total
Datos
ℎ1 = 3.13 × 10−5m
ℎ2 = 5.88 × 10−6m
:
ℎ𝑓1 = ℎ1 + ℎ2 ℎ𝑓1 = 3.13 × 10−5m + 5.88 × 10−6m ℎ𝑓1 = 3.72 × 10−5m
Cálculo de la gradiente de velocidad
Datos:
= Constante de valor 3115
a 20oC
hf = 3.72 × 10−5m
𝑇1 = 900 s
:
Los cálculos realizados son el resultado de valores teóricos del dimensionamiento del floculador horizontal, para las dimensiones reales se redondearon.
Tabla 3: Resultados teóricos y reales del diseño del floculador horizontal
Fuente: Mejía, 2017
Ensayos de funcionalidad
A continuación, se presentan los resultados en tiempo de resiliencia que los colorantes se tardaron en recorrer en el floculador horizontal en la Tabla 4.
Tabla 4: Tiempo de resilencia
Fuente: Mejía, 2017
Tabla 5: Ensayo de dosificación del reactivo coagulante en 1 L de agua sintética
Fuente: Mejía, 2017
Gráfico 3: Concentración PAC [ppm] vs turbidez [UNT] a distintas velocidades de agitación
Fuente: Mejía, 2017
Los ensayos que presentaron resultados de mayor remoción de turbidez se presentaron en los que ocuparon mayor velocidad de mezclado y por el contrario los de baja velocidad de mezclado tuvieron una baja remoción. En referencia a la concentración del coagulante PAC, se tomó el valor de 50 ppm por presentar una mejor reactividad.
Tabla 6: Ensayo de dosificación del reactivo floculante en 1 L de agua sintética
Fuente: Mejía, 2017
Gráfico 4: Concentración PoliA [ppm] vs formación de flocs a distintas velocidades de
agitación
Fuente: Mejía, 2017
Los resultados de formación de flocs, determinó que la velocidad de mezclado baja presentan mejores resultados que aquellos que tuvieron una velocidad de mezclado alta tuvo una nula formación de flocs. La concentración floculante por su parte tomó el valor 2.5 ppm por tener una mejor formación de flocs.
Figura 2: Modelo 3d del floculador horizontal
Fuente: Autores, 2017
Figura 3: Floculador horizontal con agua sintética.
Fuente: Prueba piloto
Figura 4: Floculador horizontal con agua tratada
Fuente: Prueba piloto
Las figuras 1, 2, 3 y 4 muestran el resultado del diseño del floculador horizontal, que se concibió a través de los cálculos y ecuaciones adecuadas resultados de un proceso técnico establecido por CEPIS y se muestran mediante el modelo 3d y su construcción final.
Conclusiones
Se concluye que el diseño y construcción de un floculador horizontal para un laboratorio universitario resulta útil en gran medida desde el enfoque práctico debido a que se realizó un sistema que puede ser utilizado por los estudiantes de las diferentes carreras de la facultad de Ciencias.
Un aspecto relevante en el diseño y la construcción y su éxito radica en la correcta aplicación de los cálculos y ecuaciones y su dimensionamiento según sea el espacio y requerimiento del lugar en donde se va a implementar el floculador.
Se hace necesario la aplicación de diversas pruebas piloto y ensayos con el fin de que el floculador horizontal tenga resultados adecuados para que pueda se utilizado, además de las pruebas realizadas en esta investigación se deben plantear el uso de distintas sustancias contaminantes en las muestras de agua para sí establecer el máximo alcance del floculador implementado.
Referencias
1. Costa, A., & de Pinho, M. (2004). Coagulation/flocculation/ultrafiltration for natural organic matter removal in drinking water production. Water Supply, 4(5–6), 215–222. https://doi.org/10.2166/ws.2004.0111
2. Element. (2020). Physical & Chemical Properties of Water. https://www.element.com/more-sectors/environmental-testing/water-testing/physical-chemical-properties-of-water#:%7E:text=Physical%20characteristics%20of%20water%20look,as%20pH%20and%20dissolved%20oxygen.
3. Equipos y laboratorios de Colombia. (2016). FLOCULADORES. https://www.equiposylaboratorio.com/portal/articulo-ampliado/floculadores
4. Frías, J. A. (1996). Sistemas expertos y catalogación descriptiva: Revisión bibliográfica. Revista española de Documentación Científica, 19(1), 21–38. https://doi.org/10.3989/redc.1996.v19.i1.630
5. Masojídek, J., & Torzillo, G. (2014). Mass Cultivation of Freshwater Microalgae☆. Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-409548-9.09373-8
6. Mejía, A., & León, G. (2017, 19 junio). DSpace ESPOCH.: Diseño y construcción de un floculador horizontal para el laboratorio de hidráulica de la Facultad de Ciencias, ESPOCH. D space Espoch. http://dspace.espoch.edu.ec/handle/123456789/6630
7. Narayanan, B., & Hough, S. (2004). TAKING THE “WASTE” OUT OF WASTE ACTIVATED SLUDGE - NEW PROCESS CONFIGURATION USES WASTE ACTIVATED SLUDGE TO TREAT WASTEWATER MORE EFFICIENTLY. Proceedings of the Water Environment Federation, 2004(14), 215–225. https://doi.org/10.2175/193864704784137152
8. Rodríguez Miranda, J. P., García Ubaque, C. A., & Pardo Pinzón, J. (2015). Selección de tecnologías para el tratamiento de aguas residuales municipales. Revista Tecnura, 19(46), 149. https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.4.a12
9. Spellman, F. R. (2020). The Science of Water: Concepts and Applications (4th ed.). CRC Press.
10. Yang, R., Li, H., Huang, M., Yang, H., & Li, A. (2016). A review on chitosan-based flocculants and their applications in water treatment. Water Research, 95, 59–89. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.02.068
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