marÍa josÉ fallas williams - universidad de costa rica
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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
ANÁLISIS TÉCNICO DE LA OPERACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DEL PROCESO DE
RECUBRIMIENTO METÁLICO
PROYECTO DE GRADUACIÓN SOMETIDO A LA CONSIDERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA COMO REQUISITO FINAL PARA OPTAR POR EL GRADO DE
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA
MARÍA JOSÉ FALLAS WILLIAMS
CIUDAD UNIVERSITARIA” RODRIGO FACIO”
SAN JOSÉ, COSTA RICA
2015
ii
Epígrafe
“El que persevera alcanza”
v
RESUMEN
El objetivo del presente proyecto fue realizar un análisis técnico de la operación de una planta de tratamiento, de aguas residuales provenientes del proceso de recubrimiento metálico, para determinar alternativas de mejora.
El sistema de tratamiento de las aguas residuales en estudio se divide en dos secciones: la primera consiste en tratar el agua proveniente de los enjuagues realizados a las bandas de pines metálicos recubiertas en el proceso de galvanoplastia, para posteriormente utilizarla nuevamente en las líneas de producción; la segunda sección trata las aguas ácidas y básicas provenientes de los baños agotados con el fin de que cumplan con los parámetros de calidad nacionales para luego descartarlas y enviarlas a la planta de tratamiento de la zona franca.
La caracterización físico-química realizada al agua residual del proceso de galvanoplastia que es tratada en la sección 1 y en la sección 2 de la planta de tratamiento, determinó que las concentraciones de DQO, DBO, grasas y aceites, cianuro, sólidos suspendidos y sedimentables son inferiores a los respectivos límites máximos permitidos en el Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales 33601-S-MINAE. Así como que poseen pH ácidos, concentración de estaño superior a la permitida, concentración de cobre y níquel superiores a los máximos en el caso de la sección 2, e inferiores en la sección 1.
Posterior a la caracterización, se definió que era necesario analizar parámetros como el pH, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos y metales a la entrada y salida de cada una de las operaciones que contempla el sistema de tratamiento de aguas, y con ello realizar su respectiva evaluación.
De la evaluación del desempeño de la planta, se obtiene que después de llevar a cabo todo el tratamiento el agua presenta un pH superior a 7, por lo que se debe neutralizar antes de ser reutilizada o vertida en la planta de tratamiento de la zona franca. También, de acuerdo con el estudio realizado, pareciera ser necesario colocar una operación antes o después del sistema de ósmosis inversa que elimine el exceso de estaño; sin embargo, se recomienda llevar a cabo una mayor cantidad de muestreos para determinar sí esa operación realmente es necesaria o no.
A partir del estudio, se ve la necesidad de colocar medidores de flujo a lo largo del sistema de tratamiento, con el fin de tener mayor control de la planta. Así como la realización del correcto mantenimiento de las membranas
Como alternativa, se propone y dimensiona un sistema de tratamiento, partiendo del volumen total del agua (baños gastados, enjuagues, otras aguas) y la concentración de los constituyentes presentes. El sistema se compone de cinco tanques de almacenamiento, dos tanques neutralizadores, un sedimentador de fondo cónico, y de manera opcional se recomienda aprovechar el sistema de ósmosis inversa que tiene la empresa.
vi
ÍNDICE GENERAL
Epígrafe .................................................................................................................................. ii
Dedicatoria ............................................................................................................................ iii
Agradecimientos .................................................................................................................... iv
RESUMEN ............................................................................................................................. v
ÍNDICE GENERAL .............................................................................................................. vi
ÍNDICE DE CUADROS ........................................................................................................ x
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... xii
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
CAPÍTULO 2: PROCESO DE RECUBRIMIENTO METÁLICO ........................................ 4
2.1 Descripción del proceso de galvanoplastia .............................................................. 4
2.1.1 Desengrase ........................................................................................................ 4
2.1.2 Decapado .......................................................................................................... 5
2.1.3 Enjuagues .......................................................................................................... 6
2.1.4 Electrodeposición ............................................................................................. 6
2.1.5 Secado ............................................................................................................... 7
2.2 Contaminación de las aguas del proceso .................................................................. 7
2.2.1 Alcalinos ........................................................................................................... 8
2.2.2 Ácidos ................................................................................................................ 8
2.2.3 Cianuros ............................................................................................................ 8
2.2.4 Metales pesados ................................................................................................ 9
CAPÍTULO 3: PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y REGLAMENTACIÓN
GUBERNAMENTAL .......................................................................................................... 10
3.1 Parámetros de físicos .............................................................................................. 10
3.1.1 Color ............................................................................................................... 10
3.1.2 Olor y sabor .................................................................................................... 11
vii
3.1.3 Turbiedad ........................................................................................................ 11
3.1.4 Temperatura .................................................................................................... 11
3.1.5 Sólidos suspendidos ........................................................................................ 12
3.1.6 Sólidos disueltos ............................................................................................. 12
3.1.7 Sólidos totales ................................................................................................. 12
3.1.8 Conductividad y resistencia ............................................................................ 12
3.2 Parámetros químicos .............................................................................................. 13
3.2.1 Alcalinidad ...................................................................................................... 13
3.2.2 Potencial de hidrógeno (pH) .......................................................................... 13
3.2.3 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) ...................................................... 14
3.2.4 Demanda Química de Oxígeno (DQO) .......................................................... 14
3.2.5 Oxígeno Disuelto (OD) ................................................................................... 14
3.2.6 Dureza ............................................................................................................. 14
3.2.7 Grasas y aceites .............................................................................................. 15
3.2.8 Metales ............................................................................................................ 15
3.3 Reglamentación gubernamental ............................................................................. 16
3.3.1 Límites máximos permitidos ........................................................................... 16
3.3.2 Prohibiciones .................................................................................................. 19
3.3.3 Sanciones ........................................................................................................ 19
CAPÍTULO 4: DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
REALIZADO EN LA EMPRESA DE ESTUDIO ............................................................... 20
4.1 Tanque de pretratamiento (V-106) ......................................................................... 23
4.2 Tanque de alimentación OI (V-107) ...................................................................... 24
4.3 Ósmosis inversa ..................................................................................................... 25
4.4 Oxidación química (Destrucción del cianuro) ....................................................... 28
4.4.1 Tanque de cianuro 1 (V-109) .......................................................................... 28
4.4.2 Tanque de cianuro 2 (V-110) .......................................................................... 29
4.5 Precipitación de los metales ................................................................................... 30
4.5.1 Tanque reacción 1 (V-111) ............................................................................. 30
viii
4.5.2 Tanque reacción 2 (V-112) ............................................................................. 31
4.6 Homogeneización ................................................................................................... 32
4.7.1 Tanque de concentración (V-113) .................................................................. 32
4.7 Microfiltración (S-102) .......................................................................................... 33
4.8 Sedimentador (S-103) ............................................................................................ 35
4.9 Tanques de almacenamiento .................................................................................. 36
4.10 Mezclado ................................................................................................................ 38
CAPÍTULO 5: CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES ......................... 40
5.1 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos de los afluentes de la sección 1 y sección 2 ...................................................................... 40
5.2 Caracterización de los afluentes ............................................................................. 41
5.3 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos a la entrada y salida de cada operación ............................................................................. 43
5.4 Caracterización de la entrada y salida de cada unidad del sistema de tratamiento 45
CAPÍTULO 6: EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO .................................................................................................................. 49
6.1 Sección 1 ................................................................................................................ 49
6.2 Sección 2 ................................................................................................................ 53
CAPÍTULO 7: DIMENSIONAMIENTO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO ........... 64
7.1 Diagrama del sistema propuesto ............................................................................ 65
7.2 Tanques de almacenamiento .................................................................................. 66
7.2.1 Tanque almacenamiento para las aguas de los enjuagues ............................. 66
7.2.2 Tanque almacenamiento para las aguas de los baños gastados .................... 67
7.2.3 Tanque almacenamiento para otras aguas .................................................... 68
7.3 Precipitación y Coagulación-Floculación .............................................................. 69
7.3.1 Tanques neutralizadores ................................................................................. 70
7.3.2 Tanque de floculación ..................................................................................... 73
ix
7.4 Sedimentador .......................................................................................................... 74
CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 79
8.1 Conclusiones ....................................................................................................... 79
8.2 Recomendaciones ............................................................................................... 80
CAPÍTULO 9: NOMENCLATURA .................................................................................... 82
CAPÍTULO 10: BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 84
APÉNDICES ........................................................................................................................ 90
A. Datos experimentales ................................................................................................... 91
B. Resultados intermedios ................................................................................................. 96
C. Muestra de cálculo ...................................................................................................... 102
D. Métodos de análisis .................................................................................................... 114
D.1 Determinación de Sólidos Sedimentables ................................................................ 114
ANEXOS ............................................................................................................................ 116
x
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 3.1 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en el alcantarillado sanitario ...................................................................................................... 17
Cuadro 3.2 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en un cuerpo receptor. ............................................................................................................................. 17
Cuadro 4.1 Dimensiones del tanque de pretratamiento para la ósmosis inversa ................. 24 Cuadro 4.2 Capacidad volumétrica de los tanques de almacenamiento utilizados en la
planta de tratamiento del agua residual. ............................................................................ 37 Cuadro 5.1 Características físico-químicas del afluente de la sección 1 y sección 2 de la
planta de tratamiento del agua residual ............................................................................. 42 Cuadro 5.2 Parámetros de calidad determinados a la entrada y salida de cada uno de los
equipos de la Sección 1 y Sección 2 ................................................................................. 44 Cuadro 5.3 Especificaciones del equipo utilizado en la determinación de los parámetros
físico químicos del agua residual ...................................................................................... 45 Cuadro 5.4 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 1 del
tratamiento de las aguas residuales. .................................................................................. 46 Cuadro 5.5 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 2 del
tratamiento de las aguas residuales. .................................................................................. 47 Cuadro 6.1 Caracterización físico-química en el tanque de pretratamiento. ....................... 49 Cuadro 6.2 Caracterización físico-química en el tanque de alimentación OI ..................... 50 Cuadro 6.3 Caracterización físico-química en el sistema de ósmosis inversa .................... 51 Cuadro 6.4 Calidad del agua posterior a los tratamientos de purificación ......................... 52 Cuadro 6.5 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 1 .............................. 53 Cuadro 6.6 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 2 .............................. 56 Cuadro 6.7 Precipitación de metales mediante el uso de diferentes reactivos ................... 56 Cuadro 6.8 Caracterización físico-química en el sistema de microfiltración ...................... 59 Cuadro 6.9 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 1 .............. 60 Cuadro 6.10 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 2 ............. 61 Cuadro 7.1 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes de los
enjuagues ........................................................................................................................... 67 Cuadro 7.2 Dimensiones de los tanques de almacenamiento de las aguas provenientes de
los baños ácidos y básicos ................................................................................................. 68 Cuadro 7.3 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes del
tratamiento de resinas ........................................................................................................ 69 Cuadro 7.4 Dimensiones del tanque neutralizador utilizado en el tratamiento de las aguas
residuales ........................................................................................................................... 71 Cuadro 7.5 Relaciones adimensionales empleadas en el dimensionamiento del sistema de
agitación ............................................................................................................................ 72
xi
Cuadro 7.6 Dimensiones del sistema de agitación para los tanques neutralizadores .......... 72 Cuadro 7.7 Características del sistema de agitación de cada uno de los tanques
neutralizadores. ................................................................................................................. 72 Cuadro 7.8 Características del sistema de agitación del tanque de floculación .................. 73 Cuadro 7.9 Dimensiones del sedimentador utilizado en el tratamiento de las aguas
residuales. .......................................................................................................................... 75 Cuadro 7.10 Concentración de contaminantes en muestra de tanque de almacenamiento
durante el tratamiento consecutivo de las muestras. ........................................................ 77
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema del proceso de galvanoplastia. .............................................................. 5 Figura 2.2 Principio del recubrimiento electrolítico. ............................................................. 7 Figura 4.1 Diagrama del proceso de tratamiento de aguas residuales efectuado actualmente
en la empresa de interés. ................................................................................................ 22 Figura 4.2 Tanque de pretratamiento. .................................................................................. 24 Figura 4.3 Tanque de alimentación OI. ............................................................................... 25 Figura 4.4 Ósmosis Inversa. ................................................................................................ 26 Figura 4.5 Detalle de los tipos de partícula ......................................................................... 27 Figura 4.6 Unidad de osmosis inversa. ................................................................................ 27 Figura 4.7 Descripción de la etapa de oxidación del cianuro mediante cloración alcalina. 29 Figura 4.8 Tanque de reacción 1. ......................................................................................... 31 Figura 4.9 Tanque de concentración. ................................................................................... 32 Figura 4.10 Detalle de los tipos de partícula que la microfiltración es capaz de separar. ... 33 Figura 4.11 Descripción del proceso de microfiltración. .................................................... 33 Figura 4.12 Módulo de microfiltración que se utiliza en la empresa. ................................. 34 Figura 4.13 Sedimentador utilizado en la empresa de interés. ............................................ 35 Figura 4.14 Filtro de prensa de platos utilizado en la empresa de interés. .......................... 36 Figura 4.15 Tanques de almacenamiento del agua residual ................................................ 37 Figura 4.16 Tanque de almacenamiento, V-103 y T-108 respectivamente ......................... 38 Figura 4.17 Agitadores utilizados para el mezclado del agua de los tanques de reacción (V-
103 y V-108) .................................................................................................................. 39 Figura 5.1 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 1 del tratamiento que se
lleva a cabo en la empresa. ............................................................................................ 46 Figura 5.2 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 2 del tratamiento que se
lleva a cabo en la empresa. ............................................................................................ 48 Figura 6.1 Precipitación de sales de metal contra pH. ......................................................... 54 Figura 6.2 Curvas de precipitación de sales de metal contra pH ......................................... 57 Figura 6.3 Precipitación de los principales metales en función del pH y determinación de
los pH a los cuales no se superan los límites determinados en la figura ....................... 58 Figura 6.4 Diseño del tanque de concentración con la colocación de la placa. ................... 63 Figura 7.1 Distribución de la planta de tratamiento propuesta ............................................ 65
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso agotable, además es vital e indispensable para la sobrevivencia de
todo ser vivo, y como tal es importante no contaminar sus fuentes y controlar su uso. Sin
embrago, hoy día la mayoría de las personas, por no decir que todas, saben y conocen la
importancia del agua y los cuidados que se debe tener respecto a su consumo, pero aún
algunas personas mantienen el pensamiento de hace ya algunas décadas atrás, de: “el agua
es inagotable” o “no hay problema en dejar el tubo abierto todo el día, no pasa nada”; así
como el “no importa que las aguas residuales vayan a dar a los ríos u océanos”.
Sin embargo, en la actualidad se conoce que no es así, que el agua potable en muchas partes
del mundo es escasa; en algunos lugares, los habitantes deben planificar y controlar muy
bien su uso, porque se encuentran limitados a que sólo una vez por semana pase un camión
cisterna a abastecerlos de agua.
Además, se sabe que toda actividad humana tiene un impacto dentro y fuera de su entorno;
las que contaminan no sólo alteran el equilibrio ecológico y causan la mortalidad de
algunas especies animales y vegetales, sino que pueden destruir en forma definitiva la vida.
Es por ello que en la mayoría de países industrializados han tomado conciencia de este reto
que obliga a realizar un alto a la destrucción del medio ambiente. (Chávez Porras,
Cristancho Montenegro, & Ospina Granados, 2009).
Es así que cada uno de los sectores industriales y de los hogares sean los únicos
responsables de sus propias aguas residuales, viéndose en la obligación de evitar o
minimizar los impactos negativos al ambiente, ya sea a través de la implementación de
prácticas de prevención de la contaminación o mediante el tratamiento adecuado de las
aguas residuales antes de ser vertidas al medio ambiente.
2
Un correcto tratamiento de las aguas residuales, trae consigo diversos beneficios, ya que es
una cadena, en la que al mejorar un aspecto se mejora otro indirectamente. Al tratar las
aguas residuales y obteniéndose una calidad que no perturbe el cuerpo receptor (ríos, lagos
u océanos) en donde es vertida, se disminuye el desarrollo de enfermedades que afectan la
salud de las personas.
El ámbito económico para muchas industrias se ve beneficiada puesto que el agua residual
tratada puede ser utilizada en las líneas de producción, o bien, en el mantenimiento de la
planta, camiones, jardines; disminuyendo de esta manera el gasto en el consumo de agua.
La empresa en la que se desarrollará el proyecto, es una transnacional que fabrica
conectores electrónicos y realiza un proceso de galvanoplastia (“plating”), el cual consiste
en un recubrimiento con estaño, oro y/o níquel de los pines a utilizar posteriormente en sus
conectores; generando efluentes principalmente inorgánicos, que por sus características de
toxicidad resultan nocivos para el ser humano y su entorno, principalmente por la presencia
de metales pesados como el níquel.
Por el tipo de agua residual que se obtiene del recubrimiento metálico, la empresa posee
una planta de tratamiento exclusiva para estas aguas residuales; dentro de los equipos u
operaciones empleados en dicho tratamiento se encuentran la microfiltración y la osmosis
inversa.
Este proyecto nace debido a los problemas que el sistema de tratamiento presenta en cuanto
a los parámetros de salida. Los encargados señalaban al módulo de ósmosis inversa como el
generador de estos inconvenientes. Sin embargo, se definió que era pertinente analizar cada
una de las unidades del sistema de tratamiento, y luego determinar si el problema en la
planta de tratamiento radica propiamente en la osmosis inversa, o en otra(s) unidad(es). Por
ello, la caracterización inicial se realizará en los afluentes y no en los efluentes.
3
El objetivo del presente proyecto fue realizar un análisis técnico de la operación de la
planta de tratamiento, de aguas residuales provenientes del proceso de recubrimiento
metálico, para determinar alternativas de mejora.
4
CAPÍTULO 2
PROCESO DE RECUBRIMIENTO METÁLICO
Esta sección describe el proceso de electrodeposición (galvanoplastia) también denominado
“plating”. El principal interés es identificar las operaciones del proceso de recubrimiento, y
de esta manera comprender globalmente el proceso e identificar los contaminantes más
comunes y sus fuentes.
2.1 Descripción del proceso de galvanoplastia
La galvanoplastia es una técnica que consiste en la electrodeposición de un recubrimiento
metálico sobre una superficie que puede ser o no metálica (Chávez Porras, Cristancho
Montenegro, & Ospina Granados, 2009); con el objeto de aumentar su capacidad de resistir
agentes corrosivos, mejorar sus propiedades, y aumentar su resistencia a la fricción y a la
abrasión. Por lo general, el cromo, oro, níquel, cadmio, zinc, plata y cobre son los metales
más utilizados en los procesos de galvanoplastia.
Un proceso de recubrimiento metálico consta de diferentes etapas de preparación de la
superficie. La instalación industrial está compuesta de cubas, las cuales almacenan baños de
preparación y de recubrimiento seguido de tanques de enjuague (Chávez Porras, Cristancho
Montenegro, & Ospina Granados, 2009). En la Figura 2.1 se muestra un esquema del
proceso de galvanoplastia.
2.1.1 Desengrase
La eliminación de aceites, grasas e impurezas superficiales del material base, es el fin con
que se realiza la etapa de desengrase. Se lleva a cabo mediante la inmersión de las piezas en
disolventes orgánicos o soluciones acuosas alcalinas (Centro Nacional de Producción más
Limpia y Tecnologías Ambientales, s.f).
5
La composición y alcalinidad de las soluciones detergentes dependen de dos aspectos: el
primero, la naturaleza del metal o de la aleación que se va a limpiar; y segundo, del
procedimiento utilizado, siendo este por inmersión en solución alcalina o por desengrase
electrolítico. (García Víquez, 1995)
Figura 2.1 Esquema del proceso de galvanoplastia. Fuente: Adaptado de (Universidad Pontificia Bolivariana; Centro Integrado para el
Desarrollo de la Investigación; Grupo de Investigaciones Ambientales, 2005)
2.1.2 Decapado
Esta fase de preparación del material, consiste en remover las escamas, óxidos y manchas
por medio de un baño químico. El decapado es diferente según el metal a tratar, en el caso
del hierro y el acero, el mismo se realiza mediante la inmersión del material en un baño de
ácido clorhídrico (Instituto de Metais Não Ferrosos, s.f) y ácido sulfúrico diluidos, o bien
en uno de sólo ácido nítrico diluido.
Recepción de la materia
prima/Disposición de la banda metálica
Desengrase
Enjuague Decapado
Enjuague
Electrodepositación del metal
Enjuague
Secado
Almacenamiento
6
Con este tratamiento, se forman sales de las capas oxidadas del metal; y como resultado de
ello, se produce oxígeno, que facilita el desprendimiento de la capa de óxido. La
concentración del baño se encuentra en un ámbito de 5-20% en peso del ácido (García
Víquez, 1995).
Cuando el metal a tratar es cobre se utiliza ácido sulfúrico diluido; y si el metal es níquel el
decapado se realiza con ácido sulfúrico al 20% a una temperatura de 60 a 80°C; mientras
que las aleaciones de cromo-níquel que son resistentes a los ácidos, se decapan con la
mezcla de ácido fluorhídrico y ácido nítrico diluidos. (García Víquez, 1995)
2.1.3 Enjuagues
El lavado se realiza entre cada una de las etapas de desengrase, decapado y
electrodeposición con agua limpia, bien sea por inmersión o por aspersión para eliminar los
residuos de la etapa anterior (FUNDES, 1999). Los enjuagues que se llevan a cabo después
del desengrase se realizan para evitar manchas y recubrimientos irregulares en el material
que en etapas posteriores será recubierto.
El objeto de realizar un lavado a las piezas provenientes del decapado es evitar el arrastre
del ácido a las siguientes etapas del proceso. Al igual que en las etapas anteriores después
de cada “baño de metal” se efectúa un lavado, para todos los lavados se utiliza agua a
temperatura ambiente, a excepción del último (antes de ser el material secado) el cual se
realiza con agua caliente con la finalidad de eliminar en su totalidad los residuos.
2.1.4 Electrodeposición
La electrodeposición es un método de recubrimiento metálico que “se produce haciendo
pasar una corriente eléctrica entre un electrodo de trabajo y otro auxiliar separados por un
electrolito, provocando sobre el primer electrodo una reacción de oxidación o reducción
que lleva consigo la formación sobre el mismo de un depósito insoluble en el electrolito.”
(Bijani Chiquero, 2007, pág. 22)
7
Los baños de recubrimiento electrolítico se dividen en baños ácidos y alcalinos. Los baños
ácidos contienen sulfatos, cloruros, fluoroboratos y sulfamatos de los metales a depositar;
mientras que los baños alcalinos se establecen sobre la base de complejos de hidróxidos o
cianuros (Comisión Ambiental Metropolitana, 1998).
Figura 2.2 Principio del recubrimiento electrolítico. Fuente: (Comisión Ambiental Metropolitana, 1998)
2.1.5 Secado
El secado es la última etapa del proceso del recubrimiento metálico; esta etapa se lleva a
cabo mediante la aplicación de aire caliente, esto con el objetivo de remover la humedad
superficial del material luego del último enjuague.
2.2 Contaminación de las aguas del proceso
En la galvanoplastia se emplean diversas operaciones, las cuales producen efluentes cuya
composición química varía de acuerdo a su origen, y además cada efluente trae consigo
gran cantidad de contaminantes.
Como se indicó anteriormente, después de cada desengrasado, decapado y
electrodeposición se realiza el enjuague del material, el agua de cada uno de los enjuagues
arrastra trazas de las sustancias químicos utilizados en las etapas del proceso de
recubrimiento metálico, generando de tal forma que el agua residual también contenga esas
sustancias.
8
Los tipos de contaminantes que son comúnmente encontrados en las aguas residuales del
proceso de galvanoplastia son los alcalinos, cianuros, metales pesados y ácidos (California
State University, Sacramento; Department of Civil Engineering; Office of Water Programs,
1986). Sin embrago, no son los únicos residuos también se puede encontrar grasas,
solventes orgánicos y aceites, así como otro tipo de contaminante dependiendo del proceso
de recubrimiento metálico que realice cada empresa.
En la empresa de estudio los principales residuos son los que se describen a continuación,
los cuales son generados por las 8 líneas de producción.
2.2.1 Alcalinos
Los desechos alcalinos son generados en los tanques donde se realiza el desengrase, en los
tanques de recubrimiento alcalino y en los tanques donde se lleva a cabo sus respectivos
enjuagues. Por lo general, los contaminantes alcalinos o básicos provienen de productos
químicos como hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, entre otros compuestos (García
Víquez, 1995).
2.2.2 Ácidos
Los desechos de este tipo provienen de tres fuentes, de los tanques de decapado, los tanques
de los lavados correspondientes, y los tanques de recubrimiento ácido. Los compuestos
como el ácido sulfúrico, el ácido sulfónico, el bromuro de níquel, son algunos ejemplos de
compuestos que generan los contaminantes ácidos (García Víquez, 1995).
2.2.3 Cianuros
Los cianuros pueden provenir tanto de los desengrases cianurados, como de la etapa de
electrodeposición básica, por lo general son producto del uso de cianuros metálicos o
básicos (Nemerow & Dasgupta, 1998), el tipo de cianuro depende del baño electrolítico que
se desee implementar, para este caso el que se utiliza es el cianuro de oro.
9
2.2.4 Metales pesados
Los metales pesados son generados en el proceso de electrodeposición de oro, níquel,
estaño u otro metal con que quiera ser recubierta la pieza, y de sus respectivos lavados, los
cuales se componen de soluciones diluidas de los componentes de los distintos baños
electrolíticos.
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CAPÍTULO 3
PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y REGLAMENTACIÓN
GUBERNAMENTAL
El agua potable es aquella que se puede beber sin ningún problema y sin el miedo de que
pueda generar una afectación en la salud, y pueda ser utilizada en cualquier actividad sin
causar daño alguno a la flora y fauna. Mientras, el agua residual corresponde a aquellos
volúmenes de agua derivados directa o indirectamente de las actividades humanas y ejercen
transformaciones sobre la naturaleza; por lo general, su calidad es inferior a la de la misma
agua antes de ser utilizada (Centeno Mora, 2011).
La calidad del agua se define de acuerdo a las características requeridas según el uso
específico al que va a ser destinada, ya sea para abastecimiento humano, recreativo o vida
acuática. Los parámetros de calidad tienen valores distintos según para qué será utilizada el
agua o hacia donde será vertida (Bureau Veritas Formación, 2008). Estos parámetros se
pueden clasificar en tres tipos: químicos, físicos o biológicos.
3.1 Parámetros de físicos
Las características físicas del agua, se denomina de esta manera debido a que son respuesta
de los sentidos (vista, olfato, entre otros), además tienen incidencia sobre las condiciones
estéticas y de la aceptabilidad del agua. (Campos Gómez, 2003) Dentro de las que se
consideran importantes son las siguientes:
3.1.1 Color
Ésta característica del agua es intervenida por factores como la temperatura, el tiempo de
contacto, el pH, la solubilidad de los compuestos coloreados, por ejemplo en algunos caso
el agua es amarillenta debido a los ácidos húmicos, cuando hay presencia de hierro puede
11
tornarse rojiza; mientras que torna a un color negro cuando contiene manganeso (Rigola
Lapeña, 1999).
3.1.2 Olor y sabor
El olor y el sabor son dos parámetros del agua que se encuentran ligados entre sí.
Usualmente las aguas domesticas presentan un olor característico debido a los gases
producidos por la descomposición de la materia orgánica o de las sustancias agregadas a las
aguas residuales; si las aguas son sépticas están generan un olor muy particular como de
huevo podrido que está asociado al sulfuro de hidrógeno (H2S) (Spellman, 2008).
3.1.3 Turbiedad
La turbiedad en el agua es causada por la presencia de materia en suspensión y coloides
tales como arcilla, limo y materia orgánica e inorgánica (APHA, 1999). La turbiedad mide
el grado en que la luz es absorbida o refleja por la materia suspendida. Esto genera que el
agua natural no sea penetrada por la luz, y de esta manera se afecte el proceso de
fotosíntesis en los ríos y océanos (Jiménez Cisneros, 2001).
3.1.4 Temperatura
La temperatura del agua residual es generalmente mayor a la del suministro, debido a la
mezcla con aguas procedentes de las casas o de la industria (Carrion Moreno, 2006). Esta
característica es de gran importancia por su efecto en otras propiedades como la aceleración
de reacciones químicas, la vida acuática (López Vázquez, 2012).
Las altas temperaturas en los sistemas de alcantarillado pueden generar la volatilización de
compuestos orgánicos presentes en las aguas residuales, con gasificación y producción de
emanaciones tóxicas y mal olor (FUNDES, 1999).
12
3.1.5 Sólidos suspendidos
Los sólidos suspendidos son aquellas partículas orgánicas e inorgánicas que se encuentran
en el agua, estos son desagradables a simple vista, pueden traer consigo problemas
secundarios en caso de degradarse. Las fibras de plantas y bacterias son ejemplos de
partículas orgánicas; mientras que la arcilla se clasifica como sólido inorgánico.
Los sólidos suspendidos afectan las aguas superficiales debido a que generan una
acumulación de sedimentos y provoca depósitos en terrenos dedicados a la agricultura;
mientras que en los sistemas de alcantarillado genera obstrucciones en el interior de las
tuberías (FUNDES, 1999).
3.1.6 Sólidos disueltos
Son aquellos materiales que permanecen en el agua, luego de que ésta haya sido filtrada,
para determinar los sólidos suspendidos. La concentración de los sólidos disueltos se debe a
la presencia de minerales, productos de la descomposición de la materia orgánica, metales y
compuestos químicos. (Jiménez Cisneros, 2001)
3.1.7 Sólidos totales
Los sólidos totales corresponden a la suma de todos los sólidos presentes, tomando en
cuenta a los sólidos disueltos y los sólidos suspendidos (Rigola Lapeña, 1999).
3.1.8 Conductividad y resistencia
La conductividad es un parámetro que mide la capacidad para conducir electricidad el agua.
Su valor depende del tipo de iones involucrados, concentraciones, estado de oxidación de
los mismos y de la temperatura (APHA, 1999). Es un indicativo de la presencia de iones. El
agua pura contribuye mínimamente a la conductividad, en casi su totalidad ese valor de
conductividad se debe al movimiento de iones pertenecientes a las impurezas presentes. La
resistencia es recíproca a la conductividad (APHA, 1999).
13
3.2 Parámetros químicos
Los parámetros químicos están relacionados con la capacidad de solvencia del agua, por
esta razón es que su determinación requiere de la realización de pruebas en un laboratorio y
no resulta ser tan sencilla como la de los parámetros físicos.
Este tipo de tratamiento modifica las propiedades químicas de los contaminantes, el
objetivo es destruir la estructura química de lo contaminantes, o bien convertirlos en otros
compuestos cuya separación sea más sencilla. (Miralles Bellver, Costa Pérez, Muñoz
Labiano, & Guijaro Millán, 2005)
Las características químicas se dividen en dos grupos: orgánicas y las inorgánicas, algunos
de los parámetros son: el potencial de hidrógeno, alcalinidad, demanda bioquímica de
oxígeno, entre otros más que se explicarán en seguida.
3.2.1 Alcalinidad
Es la capacidad de la muestra para amortiguar o neutralizar los cambios de pH cuando se
vierte en ella un tipo de ácido. La alcalinidad en el agua residual se debe a la presencia de
hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como calcio, magnesio, sodio o
amoniaco. (Jiménez González, 2006)
3.2.2 Potencial de hidrógeno (pH)
El valor de este parámetro es importante para determinar la calidad del agua residual,
debido a que el rango en el cual se desarrollan los procesos biológicos corresponde a un
estrecho y critico intervalo (Rojas Paniagua, 2008).
Si las aguas son vertidas en un cuerpo receptor a pH muy alto o bajo, puede verse afectado
la vida acuática, las aguas destinadas para recreación, consumo humano y animal. O bien, si
14
son depositadas en un sistema de alcantarillado con un pH no apto puede dañar los
colectores por exceso de alcalinidad o acidez (FUNDES, 1999).
3.2.3 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
El DBO, es un indicativo de la cantidad de oxígeno disuelto que es consumido por los
microorganismos presentes en el agua en el proceso de oxidación de la materia orgánica, es
una medida de la materia orgánica biodegradable del agua analizada (Arias Carballo &
Calderón Moya, 2011). Para la determinación del DBO, se realiza la prueba a 20 °C,
temperatura a la cual se encuentra la mayoría de materia presente, y se realiza durante 5
días, tiempo suficiente para que se estabilice la mayoría de la materia orgánica presente.
3.2.4 Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Mide la materia orgánica e inorgánica que puede ser degradada por oxidación, tanto por
medio biológico como por procesos químicos. La temperatura, la composición del agua, la
concentración del reactivo, el período de contacto son factores que pueden generar una
variación en los resultados que se obtienen en la prueba de DQO (Quirós Cubero, 2002).
3.2.5 Oxígeno Disuelto (OD)
El oxígeno disuelto determina la existencia de condiciones aerobias o anaerobias en un
medio particular. Su determinación se utiliza como base para cuantificar el DBO, además
su contenido depende de la concentración y estabilidad del material orgánico presente
(Romero Rojas, 1999). La concentración de oxígeno disuelto es un indicativo de la
septicidad y potencialidad de las aguas residuales (Miralles Bellver, Costa Pérez, Muñoz
Labiano, & Guijaro Millán, 2005).
3.2.6 Dureza
Mide la capacidad del agua para producir incrustaciones debido a la presencia de sales
disueltas de calcio y magnesio. Tanto las aguas domésticas como las industriales se ven
15
afectadas, con estas últimas se generan depósitos e incrustaciones en calderas,
intercambiadores de calor y tuberías (Rigola Lapeña, 1999).
Existen tres tipos de dureza, la primera es la dureza total la cual mide el contenido total de
iones Ca++ y Mg++; la dureza permanente (no carbónica) mide el contenido de iones de
calcio y magnesio después de someter el agua a ebullición durante un lapso de 30 minutos
y la dureza temporal (carbónica) se define como la diferencia entre la dureza total y la
permanente (Rigola Lapeña, 1999), y mide la dureza asociada a iones CO3H-, y es
eliminada por medio de ebullición ya que provoca la precipitación de los carbonatos (López
Vázquez, 2012)
3.2.7 Grasas y aceites
Las grasas y aceites son un indicador de contaminación en muchas industrias, son
lentamente degradables, sus deterioros y toxicidad se deben a la formación de una película
que impide la reaireación y fotosíntesis, como consecuencia limita la oxigenación de las
aguas superficiales (Bureau Veritas Formación, 2008). Así como la dificultad de
escurrimiento de fluidos en caso de ser vertidas en un sistema de alcantarillado (FUNDES,
1999).
3.2.8 Metales
Los metales son elementos que pueden encontrarse en el agua, en cuyo caso se clasifican
según su efecto sobre la salud del ser humano, como tóxicos y no tóxicos. Entre los
primeros se encuentran el plomo, mercurio, arsénico, zinc y cadmio; mientras que el sodio,
hierro y manganeso son catalogados como metales no tóxicos. La diferencia entre ambas
categorías reside en la concentración en que se encuentran en el agua, es decir, en pequeñas
dosis los elementos tóxicos causan daños en la salud, más los no tóxicos son dañinos
cuando se presentan en altas concentraciones (Campos Gómez, 2003).
16
3.3 Reglamentación gubernamental
Actualmente en el país se encuentra vigente el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas
Residuales del Decreto N° 33601-S-MINAE (MINAE, 2007), cuyo objetivo es el de
proteger la salud pública y a su vez la del ambiente, mediante una gestión ambientalmente
adecuada de las aguas residuales.
3.3.1 Límites máximos permitidos
La reglamentación difiere en cuanto a la concentración máxima permisiva de un parámetro;
el valor aceptado depende del Código Industrial Internacional Uniforme (CIIU), así como
donde se realice el vertido de las aguas, el cual puede ejecutarse ya sea en el alcantarillado
sanitario, o bien, en un cuerpo receptor.
De acuerdo al tipo de proceso o actividad industrial que se estudia en el presente escrito y a
lo indicado por los encargados de la planta de tratamiento, el Código Industrial
Internacional Uniforme correspondiente es el CIIU-32100: Manufactura de válvulas y
tubos electrónicos y otros componentes electrónicos.
El Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales del Decreto N° 33601-S-MINAE
indica que para este tipo de actividad además de cumplirse con los Parámetros Universales,
los cuales son: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Demanda Química de Oxígeno
(DQO), Sólidos Suspendidos Totales (SST), Sólidos Sedimentables (SSed), temperatura,
potencial de hidrógeno (pH), Sustancias Activas al Azul de Metileno (SAAM) y Grasas y
Aceites (GyA), también se deben analizar los metales pesados como parámetros
complementarios. Los límites máximos permitidos de los parámetros de calidad se
muestran en el Cuadro 3.1 para el caso del vertido en un sistema de alcantarillado, y si se
realiza en un cuerpo receptor los valores permitidos corresponden a los del Cuadro 3.2.
17
Cuadro 3.1 Límites máximos permisibles de los Parámetros Universales y metales para el vertido de aguas residuales en el alcantarillado sanitario.
Parámetro Límite máximo
DBO5,20 300 mg/L DQO 700 mg/L Sólidos suspendidos 300 mg/L Sólidos sedimentables 5 mL/L Grasas/Aceites 50 mg/L Potencial de hidrógeno 6 a 9 Temperatura 15 °C ≤ T ≤ 40°C Sustancias activas al azul de metileno 5 mg/L Mercurio 0,01 mg/L Arsénico 0,5 mg/L Cadmio 0,1 mg/L Cromo 2,5 mg/L Cianuro 2 mg/L Cobre 2 mg/L Plomo 0,5 mg/L Níquel 2 mg/L Zinc 10 mg/L Plata 3 mg/L Fuente: (MINAE, 2007)
Cuadro 3.2 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en un cuerpo receptor.
Parámetro Límite máximo
DBO5,20 50 mg/L DQO 150 mg/L Sólidos suspendidos 50 mg/L Sólidos sedimentables 1 mL/L Grasas/Aceites 30 mg/L Potencial de hidrógeno 5 a 9 Temperatura 15 °C ≤ T ≤ 40°C Sustancias activas al azul de metileno 5 mg/L Mercurio 0,01 mg/L Aluminio 5 mg/L Arsénico 0,1 mg/L Bario 5 mg/L Boro 3 mg/L Cadmio 0,1 mg/L
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Cuadro 3.2 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en un cuerpo receptor (continuación).
Cromo 1,5 mg/L Cianuro total 1 mg/L Cianuro libre 0,1 mg/L Cobre 0,5 mg/L Plomo 0,5 mg/L Estaño 2 mg/L Níquel 1 mg/L Zinc 5 mg/L Plata 1 mg/L Fuente: (MINAE, 2007) A pesar de que el reglamento pide que se valoren los parámetros indicados anteriormente,
en vista de que la empresa realiza el recubrimiento de las bandas metálicas únicamente con
cobre, níquel y estaño, es por ello que se tomó la decisión de realizar el análisis solamente a
los tres metales mencionados, lo anterior es facultado por el reglamento debido a que la
empresa no es un ente generador. El ente generador es aquella persona física o jurídica,
pública o privada, responsable del reúso de aguas residuales o de su vertido en un cuerpo
receptor o alcantarillado sanitario. Este último, se refiere a la red pública de tuberías que se
utilizan para recolectar y transportar las aguas residuales hasta su punto de tratamiento y
vertido.
De acuerdo con el Artículo 5 del Decreto N° 33601: Reglamento de Vertido y Reúso de
Aguas Residuales, todo ente generador está en la obligación de confeccionar reportes
operacionales que debe presentar periódicamente ante la Dirección de Protección al
Ambiente Humano del Ministerio de Salud, cuando el efluente es vertido a un cuerpo
receptor o alcantarillado sanitario, o si es reusado.
La empresa en cuestión se encuentra dentro de una zona franca, siendo este último el ente
generador ante el Ministerio de Salud. Tal y como ya se mencionó, lo anterior es la razón
por la que la empresa no reporta ante el Ministerio de Salud y le da la autonomía de sólo a
analizar el cobre, níquel y estaño como grupo metálico.
19
3.3.2 Prohibiciones
De acuerdo al reglamento, se presentan distintas medidas que no se permiten en cuanto al
vertido de las aguas residuales se refiere, estos se presentan a continuación (MINAE, 2007).
Dilución de aguas: Se prohíbe la dilución de efluentes con aguas de otro tipo con el
fin de alterar la concentración de los contaminantes.
Uso incorrecto de alcantarillados, es decir, no está permitido el vertido de aguas
pluviales al alcantarillado sanitario, así como el de las aguas residuales tratadas o no
al alcantarillado pluvial.
Vertido de lodos residuales, no se permite que estos lodos que se generan en los
sistemas de tratamiento de aguas residuales, sistemas de potabilización de aguas y
de tanques sépticos se viertan a los cuerpos de agua y alcantarillado sanitario.
Vertido de materias peligrosas: cualquier materia que ocasione una obstrucción
significativa flujo libre del agua, la formación de vapores o gases peligrosos, o bien,
el deterioro de los materiales y equipos que conforman los sistemas del
alcantarillado sanitario o del receptor de agua.
Vertido de aguas residuales de industrias de plaguicidas, queda totalmente
prohibido la infiltración o vertido de aguas residuales o desechos provenientes de
industrias formuladoras, reempacadoras y reenvasadoras de plaguicidas, a
excepción de las aguas tipo ordinario, en cuerpos de agua o cualquier alcantarillado.
Vertido de aguas residuales contaminadas con sustancias radioactivas; las aguas
residuales o desechos que se encuentran contaminados con sustancias radiactivas no
pueden ser vertidas en cuerpos de agua ni en sistemas de alcantarillado.
3.3.3 Sanciones
El caso de que una empresa no le realice el tratamiento pertinente a su agua residual, o lleve
a cabo al menos una de las prohibiciones anteriormente descritas, estará sujeto una de las
sanciones que presenta el Reglamento y se detallaran a continuación (MINAE, 2007).
20
CAPÍTULO 4
DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES REALIZADO
EN LA EMPRESA DE ESTUDIO
En este capítulo se detalla las etapas, operaciones y equipos que se utilizan propiamente en
la empresa de estudio para llevar a cabo el tratamiento de las aguas residuales del proceso
de recubrimiento metálico; además se presenta el diagrama de proceso de dicho
tratamiento.
Es importante mencionar que inicialmente la planta contaba con dos etapas de tratamiento
de las aguas, siendo el objetivo de la primera la recuperación de algunos compuestos
mediante intercambio iónico, y la segunda sección se basaba en la recuperación y en el
tratamiento en sí de toda el agua residual.
A raíz de problemas en el desempeño de la planta, los encargados decidieron realizar
algunos cambios en cuanto al destino de las aguas residuales dependiendo de donde
provenían, dividiendo las mismas y generando de esta manera el tratamiento de las aguas
en tres fases: la primera, como se comentó anteriormente, consiste en la recuperación de
metales valiosos (no es parte del estudio del presente proyecto); la segunda consiste en
tratar el agua proveniente de los enjuagues para posteriormente utilizarla en las líneas de
producción, y por último tratar las aguas ácidas, básicas, con el fin de que cumplan con los
parámetros de calidad nacionales para luego descartarlas y enviarlas a la planta de
tratamiento de la zona franca.
Por tanto, para fines de este trabajo el sistema de tratamiento se integra en dos secciones, tal
y como se muestra en el Diagrama de Flujo del Proceso (página 22); la primera está
compuesta de un tanque de almacenamiento que recibe continuamente el agua de los
enjuagues (V-105), la cual es enviada posteriormente al tanque de pretratamiento (V-106)
21
para que inicie su tratamiento, de este el agua pasa a un tanque de alimentación de la
Osmosis Inversa (V-107) por medio de rebose, y es suministrada al módulo de ósmosis
inversa (S-101), por último la fracción de agua más limpia se deposita en el tanque de
alimentación de agua (V-108) para las líneas de operación y la fracción concentrada en el
tanque V-103, esta última es suministrada al primer tanque de precipitación (V-111) de la
sección 2. A partir de este momento se denominará a todo este conjunto de tratamiento
sección 1.
La segunda sección se compone de cuatro tanques de almacenamiento V-101, V-102, V-
103 y V-104; dos tanques para la oxidación de cianuro (V-109 y V-110), dos tanques de
precipitación de metales (V-111 y V-112). También se cuenta con un tanque de
concentración (V-113), del cual se envía una fracción de agua al sedimentador (S-103) y
otra al sistema de microfiltración (S-102). De éste último, la fracción de agua concentrada
se recircula al tanque de concentración (V-113) y la fracción limpia (permeado) es enviada
al tanque de descarga (V-114), posteriormente, siempre y cuando el agua cumpla con los
parámetros de vertido, se descarga a la planta de tratamiento de la zona franca. En cuanto al
clarificado del sedimentador, éste es transportado a V-113 y los lodos trasladados al filtro
prensa (S-4). A partir de este instante a todo este tratamiento se le denominará sección 2.
El diagrama de flujo de las dos secciones en estudio se muestra en la Figura 4.1.
En seguida se detalla cada una de las etapas del tratamiento de las aguas residuales que se
efectúan actualmente en la empresa de estudio, es importante aclarar que la etapa de
destrucción de cianuro no forma parte del estudio directamente, no obstante es de gran
importancia conocer cómo se lleva a cabo debido a que puede llegar a afectar de manera
directa la sección de estudio. Lo anterior se debe a que la empresa, con una investigación
que realizó, concluyó que no era una operación necesaria de realizar porque la cantidad de
cianuro en el agua se encontraba por debajo de límite máximo permitido en la legislación,
por lo que sólo la mantienen en el proceso por seguridad.
22
Figura 4.1 Diagrama del proceso de tratamiento de aguas residuales efectuado actualmente
en la empresa de interés.
23
La calidad que debe tener el agua residual para su reúso en el proceso de recubrimiento es
estipulada directamente por la empresa. De acuerdo con lo indicado por los encargados del
área de tratamiento de aguas residuales, la empresa busca que el agua una vez tratada
cumpla con los parámetros de calidad solicitados por el Reglamento de Vertido y Reúso de
Aguas Residuales como si la misma fuese a ser vertida en un cuerpo receptor (Cuadro 3.2).
Además, es importante mencionar que los procesos de tratamiento de las aguas por lo
general operan en continuo pero en ocasiones las mismas trabajan por lotes; por lo que no
se puede establecer cuál es su forma de operación. Lo anterior porque un proceso de flujo
continuo es aquel en que las aguas fluyen continuamente de una unidad a otra y en cada una
de ellas los reactivos químicos son adicionados en forma continua; mientras que el proceso
discontinuo (batch) es aquel en que las aguas residuales son almacenados durante un
período de tiempo, el mismo puede ser un día o una semana, al final del cual son tratados
mediante el uso de reactivos químicos (Sun Kun, s.f).
A continuación se define la sección 1 de la planta de tratamiento de aguas residuales, la
cual se lleva a cabo con el fin de recuperar el agua residual para posteriormente des-
ionizarla y utilizarla en las líneas de producción. Si el proceso de electrodeposición no se
detiene, a esta sección le ingresa continuamente agua residual (la cual se almacena en el
tanque V-105).
4.1 Tanque de pretratamiento (V-106)
Este es un tanque agitado que recibe el agua del tanque de almacenamiento V-105, y al cual
se le añade ácido sulfúrico o hidróxido de sodio con el objeto de disminuirle o aumentarle
el pH hasta que este sea de aproximadamente 7. Su función es preparar el agua que
posteriormente será enviada al módulo de ósmosis inversa. Además, también se le adiciona
un compuesto llamado mensil, el cual es un lubricante para las membranas.
24
Las dimensiones del tanque de pretratamiento se detallan en el Cuadro 4.1. La altura y el
diámetro de este y los demás tanques fueron determinadas con una cinta métrica.
Cuadro 4.1 Dimensiones del tanque de pretratamiento para la ósmosis inversa. Altura (m) Diámetro (m) Área (m
2) Volumen (m
3)
1,37 1,11 6,74 1,33
En la Figura 4.2 se muestra el tanque de pretratamiento que se utiliza en la planta de
tratamiento que tiene la empresa.
Figura 4.2 Tanque de pretratamiento.
4.2 Tanque de alimentación OI (V-107)
El tanque de alimentación recibe el agua del tanque de pretratamiento por medio de rebose
y su finalidad es sólo almacenar el agua antes de ser alimentada al sistema de osmosis
inversa, manteniendo esta agua en las condiciones requeridas para ser ingresada al sistema
de osmosis inversa.
25
Como se observa en la Figura 4.3 la tubería que permite el ingreso del agua a este tanque se
encuentra a una altura de aproximadamente 2/3 de la altura (efectiva) del tanque. Por otra
parte, las dimensiones del tanque de alimentación OI son idénticas a las del tanque de
pretratamiento (Cuadro 4.1)
Figura 4.3 Tanque de alimentación OI.
4.3 Ósmosis inversa
La ósmosis se refiere al proceso en el cual se separan soluciones miscibles de concentración
diferente por medio de una membrana que es permeable al solvente pero casi impermeable
al soluto, la difusión del solvente ocurre desde la solución menos concentrada hacia la más
concentrada, donde la actividad del solvente es menor.
26
Figura 4.4 Ósmosis Inversa. Fuente: (Rodríguez Fernández-Alba, Letón García, Rosal García, Dorado Valiño, Villar Fernández , & Sanz García, s.f)
Más la ósmosis inversa, es el proceso en el cual se aplica una presión mayor a la presión
osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta
concentración de sólidos disueltos. Esta presión obliga al agua a pasar por la membrana
semi-permeable en dirección contraria a la del proceso natural de osmosis, como se muestra
en la Figura 4.4.
La ósmosis inversa permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos)
disueltos en el agua, también es capaz de eliminar materiales suspendidos, sales y
macromoléculas tal y como se muestra en la Figura 4.5. El rechazo de sales disueltas por
medio de una membrana de ósmosis inversa se encuentra entre el 95 y 99.9 % (Unitek, s.f).
27
Figura 4.5 Detalle de los tipos de partícula que la ósmosis inversa es capaz de separar.
Fuente: Adaptado de (Cartwright, 2010)
4.3.1 Unidad de ósmosis inversa (S-101)
La unidad de osmosis inversa está formada por las membranas semipermeables y el soporte
que las aloja, constituyendo el conjunto un recipiente a presión (tren) (Ribera Ferrando &
Bosch Mossi, 2006). Esta última unidad, según los fabricantes, tiene la capacidad de
trabajar a 40 galones por minuto con una recuperación del 80%.
Figura 4.6 Unidad de osmosis inversa.
28
En seguida se describe la sección 2 del tratamiento de aguas residuales, cuyo objetivo es
ajustar dicha agua a los valores permitidos para su adecuado vertido en un cuerpo receptor.
4.4 Oxidación química (Destrucción del cianuro)
Los procesos de oxidación-reducción consisten en la adición de un compuesto que actúa
como agente oxidante o reductor, produciéndose una transformación como consecuencia de
la transferencia electrónica entre el compuesto añadido y los compuestos presentes en el
agua residual. Se utilizan para eliminar un compuesto contaminante del agua residual por
cambio de fase, como en la transformación de nitrato a nitrógeno, o para transformar un
compuesto que se encuentra en una forma de elevada toxicidad a una forma menos
peligrosa o que puede eliminarse más fácilmente.
La eliminación del cianuro se lleva a cabo mediante cloración alcalina y se realiza en dos
fases, en la primera fase el cianuro se transforma en cianato, y en la segunda mediante
oxidación el cianato se convierte en bicarbonato de potasio. Lo anterior se detalla a
continuación.
4.4.1 Tanque de cianuro 1 (V-109)
En este primer tanque, se lleva a cabo la primera oxidación mediante la adición de
hipoclorito de sodio al agua residual, convirtiendo el cianuro presente en cianato. Las
condiciones de operación que se toman en cuenta son la temperatura, el pH y el Potencial
de Oxidación-Reducción (ORP por sus siglas en inglés) manteniéndose estas a 25 °C, entre
11-12 y entre 350-600 mV respectivamente. La reacción que se presenta en este tanque se
muestra a continuación.
(5.1)
29
4.4.2 Tanque de cianuro 2 (V-110)
El agua residual proveniente de la primera fase tiene un pH muy alto (entre 11 y 12), y para
la segunda oxidación se requiere que el pH del agua se encuentre entre 8-8,5, por lo que se
debe proceder a neutralizar el agua residual.
La neutralización del agua se realiza mediante la adición de ácido sulfúrico. Esto con el fin
de que la oxidación ocurra más rápido.
Al igual que en la primera oxidación, la segunda se lleva a cabo con hipoclorito de sodio,
como se muestra en la siguiente reacción.
La temperatura, el ORP y el pH son controlados en ambos tanques mediante control
automático, así como las adiciones de los reactivos son automáticas.
Figura 4.7 Descripción de la etapa de oxidación del
cianuro mediante cloración alcalina.
30
4.5 Precipitación de los metales
La precipitación química en el tratamiento de aguas residuales requiere la adición de
productos químicos que alteren el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, y
de esta manera facilitar su eliminación por medio de la sedimentación (Vargas Morgan,
2002).
Particularmente en el tratamiento de las aguas residuales de procesos de galvanoplastia, la
precipitación es utilizada para remover los compuestos metálicos que están presentes en las
aguas residuales.
En el proceso de esta operación, los iones metálicos solubles y ciertos aniones se convierten
en formas insolubles que se precipitan de la solución. Las interacciones químicas,
temperatura, pH, solubilidad y efectos de la mezcla afectan el rendimiento del proceso.
4.5.1 Tanque reacción 1 (V-111)
A pesar del nombre del tanque, su función es la de ecualizar las 4 corrientes con distintas
propiedades (provenientes de V-101, V-102, V-103 y V-110) que le ingresan y generar una
sola corriente que cumpla con las condiciones adecuadas para alimentar el tanque de
reacción 2 (V-112).
El caudal que le ingresa a este tanque (V-111) es de 32 galones por minuto, siendo V-103
el que mayor aporta en aproximadamente un 63% (20 gpm), mientras que de la corriente
originaria del tanque de cianuro 2 (V-110) le ingresa 10 gpm lo que equivale al 31% del
ingreso total, y el otro 6% es generado, generalmente en proporciones iguales, por el agua
que proviene de V-101 y V-102. Los caudales mencionados anteriormente son los que
están establecidos en el programa del control automático.
La conexión entre el tanque V-111 y el tanque V-112 es por medio de rebose.
31
Para obtener las condiciones requeridas en el agua de salida de este tanque, se le adiciona
ácido sulfúrico o hidróxido de sodio con el fin de que el agua salga con un pH de
aproximadamente 4, mientras que el metabisulfito de sodio es utilizado para obtener un
potencial de oxidación-reducción de 100 a 300 mV (requerido para V-112) y para eliminar
el cloro residual y las sales de hipoclorito. El tanque utilizado para llevar a cabo esta
operación es de 1200 galones (4,54 m3).
Figura 4.8 Tanque de reacción 1.
4.5.2 Tanque reacción 2 (V-112)
La precipitación de los metales presentes se lleva a cabo en este tanque, en el cuál se
adiciona hidróxido de sodio con el fin de aumentar el pH entre 9,5 y 11, de tal manera que
la mayor cantidad de metales presentes precipiten; y posteriormente enviar el agua al
tanque de concentración. El volumen del tanque es de 4,54 m3 (1200 galones).
Mediante un sistema de control automático se realiza la adición de los reactivos y se
controla que el pH, el potencial de oxidación-reducción y la temperatura sea la adecuada
para llevar a cabo la precipitación de los metales.
32
4.6 Homogeneización
La homogenización consiste simplemente en amortiguar las variaciones del caudal, con el
objeto de conseguir un caudal y composición constante o casi constante. Entre las
principales ventajas que se generan con la homogeneización de los caudales se encuentran
(Vargas Morgan, 2002);
1. Mejora la calidad de efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación
secundaria al trabajar con carga de sólidos constante.
2. El amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el control de la dosificación de
los reactivos y fiabilidad del proceso.
4.7.1 Tanque de concentración (V-113)
El objeto de este tanque es eliminar la diferencia de caudales entre las corrientes que
provienen del tanque de reacción 2 (V-112), de los túneles superiores del sistema de
microfiltración y del clarificado del sedimentador, para así lograr un caudal constante que
posteriormente será la alimentación de los túneles inferiores de microfiltración y al
sedimentador. El tanque de concentración tiene un volumen de 1200 galones (4,54 m3)
Figura 4.9 Tanque de concentración.
33
4.7 Microfiltración (S-102)
La microfiltración es utilizada para eliminar los sólidos suspendidos. Se utiliza cuando el
ámbito de tamaño de las partículas se encuentra aproximadamente entre 0,01 y 1 micra
(100-10000 ̇). Este tipo de filtración no es capaz de remover o eliminar sólidos disueltos
como se muestra en la Figura 4.10.
Figura 4.10 Detalle de los tipos de partícula que la microfiltración es capaz de separar. Fuente: Adaptado de (Cartwright, 2010)
Las membranas que se utilizan en microfiltración son microporosas simétricas con tamaños
de poro de 0,1 a 10 μm y las diferencias de presión establecidas a través de la membrana
son de 0,1 a 2 bar (Hérnandez, Tejerina, Arribas, Martínez, & Martínez, 1990).
Figura 4.11 Descripción del proceso de microfiltración.
Fuente: Adaptado de (Hérnandez, Tejerina, Arribas, Martínez, & Martínez, 1990)
34
El sistema de microfiltración utilizado en la planta de tratamiento en estudio consiste en un
par de trenes, A y B; a su vez cada tren se compone de 2 módulos (tubos), es decir, en total
el sistema cuenta con 4 módulos, 2 inferiores y 2 superiores. En la Figura 4.11 se describe
el proceso de microfiltración.
El afluente de la microfiltración, es el agua que se encuentra en el fondo de tanque de
concentración (V-113), ésta es bombeada hacia los tubos o trenes inferiores del sistema de
microfiltración a 40 gpm (es lo estipulado por el fabricante), después de ello el permeado
(agua “limpia”) es enviado al tanque de descarga (V-114), mientras que el concentrado
(agua “sucia”) se envía a los trenes superiores, que al igual a los otros trenes el permeado se
envía a V-114, pero en este caso el concentrado se envía al tanque de concentración (V-
113).
En la empresa sólo se utiliza un tren a la vez, es decir, sólo se utiliza A o sólo B pero nunca
los dos, debido a que uno de los trenes es repuesto del otro en caso de fallo o ensuciamiento
del mismo.
Figura 4.12 Módulo de microfiltración que se utiliza en la empresa.
35
4.8 Sedimentador (S-103)
La sedimentación es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de
aguas residuales. El objeto de la misma en el tratamiento de las aguas residuales es remover
rápidamente los residuos sólidos sedimentables y material flotante para así disminuir la
concentración de sólidos suspendidos (Crites & Tchobanoglous, 2000). La separación de
los sólidos del líquido se presenta por medio del asentamiento por gravedad.
Los sedimentadores primarios que sean diseñados y operados pacientemente, remueven
entre 50-70% de los sólidos suspendidos y entre el 25 al 40% de DBO5,20 (Crites &
Tchobanoglous, 2000).
El agua del fondo del tanque de concentración es recibida en el sedimentador.
Posteriormente, el agua clarificada es bombeada hacia el tanque de concentración (V-113)
y los lodos o sólidos sedimentables son retirados del sedimentador mediante bombeo y
transportados al filtro prensa. El agua que se retira del filtro prensa es enviada nuevamente
al sedimentador. La capacidad del sedimentador utilizado es de 400 galones (1,51 m3).
Figura 4.13 Sedimentador
utilizado en la empresa de interés.
36
El filtro prensa utilizado es uno de placas, como el que se muestra en la Figura 4.15. El
tratamiento de los lodos no es llevado a cabo en la empresa, la misma los recolecta el
residuo sólido en una caja (como se muestra en la Figura 4.15) y lo envía a un ente externo
que se encarga de darle el tratamiento adecuado.
Figura 4.14 Filtro de prensa de
platos utilizado en la
empresa de interés.
4.9 Tanques de almacenamiento
Los tanques de almacenamiento como su nombre lo indica son utilizados para almacenar el
agua residual o el agua tratada. El tanque V-105 almacena el agua generada por los
enjuagues de las piezas metálicas en el proceso de recubrimiento; mientras que el agua
proveniente de los baños ácidos y los baños básicos, se almacenan en el tanque V-102 y V-
101 respectivamente.
El agua de los enjuagues es enviadas continuamente los siete días de la semana, mientras
que la de los baños corresponde a un afluente discontinuo para V-101 y V-102 debido a que
37
esta agua es enviada cada vez que hay mantenimiento, el cual se realiza cuatro veces a la
semana (2 líneas por mantenimiento).
También se cuenta con otros dos tanques de almacenamiento, el V-103 donde se almacena
el agua concentrada proveniente del módulo de ósmosis inversa, mientras que el tanque V-
108 almacena el agua permeada de este módulo que luego es enviada a un sistema de
desionización y posteriormente suministrada a las líneas de producción.
En el Cuadro 4.6 se muestra la capacidad volumétrica de cada uno de los tanques de
almacenamiento utilizados en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
Cuadro 4.2 Capacidad volumétrica de los tanques de almacenamiento utilizados en la planta de tratamiento del agua residual.
Tanque Volumen
(gal)
Volumen
(m3)
V-105 2000 7,57 V-101 2000 7,57 V-102 2000 7,57 V-103 4000 15,14 V-108 4000 15,14
Figura 4.15 Tanques de almacenamiento del agua residual
38
Figura 4.16 Tanque de almacenamiento, V-103 y T-108 respectivamente
4.10 Mezclado
La mezcla es una operación unitaria de gran importancia en el diseño y operación de
plantas de tratamiento de agua residual. Se realiza con el objeto, primero realizar una
mezcla completa de los aditivos químicos, y segundo que los fluidos estén bien mezclados
en los reactores o tanques de almacenamiento, y por último para que se dé una correcta
floculación (Crites & Tchobanoglous, 2000).
El mezclado se puede realizar como resultado de la turbulencia producida por el régimen de
flujo, utilizando dispositivos venturi, tubería, bombeo o canales abiertos; o bien, como
resultado del aporte externo de energía, en el cual se recurre al uso de mezcladores estáticos
y mezcladores mecánicos (Crites & Tchobanoglous, 2000).
39
Los tanques de cianuro (V-109 y V-110) y los de reacción (V-111 y V-112) utilizan 2
turbinas de 3 aspas cada una para el mezclado del agua. Las dimensiones de los agitadores
no son reportadas debido a que en la empresa no cuentan con las mismas, y no fue posible
determinarlas, porque para ello se debía desmontar las tapas de los tanques para lograr
extraer los agitadores, lo cual no se pudo realizar debido a que los encargados no
permitieron esa acción.
Figura 4.17 Agitadores utilizados para el
mezclado del agua de los tanques
de reacción (V-103 y V-108)
40
CAPÍTULO 5
CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
En este capítulo se da una descripción del muestreo y de la metodología empleada para
determinar las características físico-químicas del agua residual del proceso de
galvanoplastia empleado en la empresa en estudio.
5.1 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos
de los afluentes de la sección 1 y sección 2
5.1.1 Muestreo de los afluentes
Para la caracterización de los parámetros fisicoquímicos de las aguas provenientes del
proceso de “plating” es necesario extraer muestras representativas que proporcionen una
clara idea del grado de contaminación de las aguas.
Por ello, fue necesario muestrear tanto el agua que ingresa a la sección 1, como la que
ingresa a la sección 2. El afluente a la sección 1 de la planta de tratamiento es la
proveniente del tanque de almacenamiento de las aguas de enjuagues (V-105).
Mientras que, el afluente de la sección 2 corresponde al agua proveniente de cuatro fuentes:
tanque de cianuro 2 (V-110), tanque de almacenamiento de aguas “ácidas” (V-102), tanque
de almacenamiento de aguas “básicas” (V-101) y el tanque de descarga (V-114). Para
obtener esta muestra, fue necesario hacer un muestreo compuesto, para ello se requirió
inicialmente conocer el caudal de cada una de las corrientes ( ), y así calcular el caudal
total ( ); posteriormente se definió el volumen requerido de muestra ( =2000 mL), y con
ello se procedió a calcular el volumen que se requiere de cada una de las fuentes ( ) para
obtener la muestra representativa, esto se obtiene con ayuda de la siguiente ecuación:
41
(5.1)
Lo anterior se debe a que las corrientes se mezclan propiamente en V-111, y la muestra no
pudo ser tomada directamente en el tanque porque el mismo ya contenía agua que había
sido alimentada anteriormente y los compuestos químicos que son añadidos para lograr el
objetivo de esa etapa del tratamiento. Los volúmenes requeridos de cada corriente se
muestran en el Cuadro B.1 del apéndice B.
5.1.2 Metodología de análisis
La caracterización del afluente de cada sección (de interés) de la planta se hizo con base en
los parámetros universales de análisis obligatorio para vertidos de aguas residuales
estipulados en el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales del Decreto N°
33601-S-MINAE de la República de Costa Rica (MINAE, 2007), por medio de métodos
estándar (APHA, 1999).
El análisis de la muestra para los parámetros universales y cianuro fueron realizados por el
Laboratorio San Martín, mientras que los análisis correspondientes a metales se llevaron a
cabo en el laboratorio de la empresa por el método de absorción atómica.
5.2 Caracterización de los afluentes
El conocimiento de las características físicas, químicas y biológicas del agua residual es
esencial para definir el tipo de tratamiento más adecuado (Martín Morales, 2007).
En el Cuadro 5.1 se muestran los resultados de la caracterización físico-química del
afluente de la sección 1 y sección 2.
Con base en el Cuadro 5.1, se puede apreciar que el agua residual en ambas secciones
presenta valores de DQO, DBO inferiores a los respectivos límites máximos permitidos en
el Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas residuales por lo que no son parámetros que se
42
deben considerar en el tratamiento de las aguas; las sustancias activas al azul de metileno,
gasas y aceites, los sólidos tanto suspendidos como sedimentables, también se encuentran
por debajo del valor límite; mientras la temperatura se encuentra dentro del intervalo
permitido.
Cuadro 5.1 Características físico-químicas del afluente de la sección 1 y sección 2 de la planta de tratamiento del agua residual.
Parámetro Afluente
Sección 1*
Afluente
Sección 2**
Límite
máximo
DBO5,20 (mg/L) ˂ 2 ˂ 2 50 DQO (mg/L) ˂ 3 (14,5 ± 05) 150 Sólidos suspendidos totales (mg/L) (8 ± 2) (22 ± 2) 50 Sólidos sedimentables (mL/L) ˂ 0,10 ˂ 0,10 1 Grasas/Aceites (mg/L) ˂ 4 ˂ 4 30 Potencial de hidrógeno 3,20 ± 0,06 2,35 ± 0,06 5 a 9 Temperatura (°C) 22,8 21,8 15 a 40 Sustancias activas al azul de metileno (mg/L) ˂ 0,2 (0,53 ± 0,05) 5 Cianuro (mg/L) - (0,091 ± 0,001) 1 Cobre (mg/L) 0,130 13,872 0,5 Plomo (mg/L) - - 0,5 Estaño (mg/L) 26,40 7,95 2 Níquel (mg/L) 0,152 23,011 1 Zinc (mg/L) 0,0376 0,1768 5 * Corresponde al análisis de “Muestra de agua tomada de la entrada de la planta de tratamiento 2”
** Corresponde al análisis de “Muestra de agua tomada de la entrada de la planta de tratamiento 1”
Por otra parte, el afluente de la sección 1 en cuanto a metales se refiere, se encuentra dentro
del reglamento, a excepción del estaño que presenta una concentración por encima de la
permitida, requiriendo tener una remoción durante el tratamiento de aproximadamente un
95%.
Caso contrario ocurre con el afluente de la sección 2, en el cual sólo el zinc está por debajo
del valor solicitado por la legislación; mientras que el cobre, níquel y estaño presentan
valores de 13,872 ppm, 23,011 ppm y 7,95 ppm respectivamente, ubicándose por encima
43
del valor máximo permitido (0,5 ppm, 1ppm y 2 ppm respectivamente), provocando así,
que sean parámetros que deban tomarse en cuenta en el tratamiento efectuado.
En ninguno de los afluentes, fue posible determinar la concentración de plomo debido a que
el equipo de absorción atómica no calibro la curva necesaria para obtener dichos valores.
Cuando se procedió a realizar la caracterización, el tratamiento de cianuro a las aguas
proveniente del intercambio iónico ya no se llevaba a cabo, debido a un estudio realizado
por la empresa en el que concluyeron que este procedimiento no era necesario. Sin
embargo, como esta agua es una de las corrientes que generan el afluente de la sección 2, se
decidió llevar a cabo la determinación de este parámetro para descartar su presencia,
obteniendo una concentración de cianuro baja y dentro de lo permitido.
Por último, ambas muestras (sección 1 y sección 2) presentan pH muy bajos, los cuales se
salen del intervalo estipulado en el reglamento, por lo que es necesario ajustarlo a un valor
entre 5 y 9, y de esta manera evitar problema alguno en la reutilización del agua así como
en el vertido de la misma.
5.3 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos
a la entrada y salida de cada operación
Para determinar el desempeño de la planta de tratamiento de aguas residuales de la empresa
es necesario primeramente evaluar el funcionamiento de cada una de las unidades
involucradas en el proceso, para ello previamente se debe establecer cuáles son los
parámetros que se deben analizar a la entrada y salida de cada equipo, para así entonces
poder cuantificarlos.
La definición de los parámetros se realizó de acuerdo a la caracterización del agua residual
del proceso detallada en el Cuadro 5.1. La caracterización del agua residual mostrada en
44
dicho cuadro indica que no es necesario analizar DBO, DQO, SAAM, cianuro ni grasas y
aceites en ninguna de las etapas de las secciones en estudio.
Con lo dicho anteriormente, los parámetros que se requieren determinar tanto a la entrada y
salida de cada uno de los equipos se detallan en el Cuadro 5.2.
Cuadro 5.2 Parámetros de calidad determinados a la entrada y salida de cada uno de los equipos de la Sección 1 y Sección 2.
Sección Parámetros
1 pH, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos totales, metales, temperatura, conductividad eléctrica
2 pH, metales, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos totales, temperatura y conductividad eléctrica
A pesar de que el afluente de ambas secciones tiene valores de sólidos por debajo del límite
máximo (Cuadro 5.1), se tomaran en cuenta debido a que por el tipo de tratamiento
efectuado en la empresa es de esperar que se presente la formación de sólidos, lo que
implica que se debe tener controlado para evitar que el efluente contenga un valor de
sólidos superior al permitido.
La metodología para determinar las concentraciones de los parámetros escogidos se basa en
los procedimientos establecidos en el Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater.
El muestreo del agua se realizó de manera tal que se diera el tiempo requerido en cada
operación, para así realizar la toma del agua de entrada y la de salida de un mismo equipo.
Cada muestra se almacenó en una botella plástica y debidamente identificada.
La determinación de sólidos sedimentables se hizo utilizando un cono imhoff y siguiendo
el método estándar, el cual se detalla en el apéndice D.1. Mientras que para la
determinación de los sólidos suspendidos totales y los sólidos disueltos se utilizó un
45
sistema de filtración y un horno, siguiendo el método estándar detallado en el apéndice D.2
y D.3 respectivamente.
Las concentraciones de níquel, cobre y estaño se determinaron por absorción atómica. El
pH, temperatura y conductividad eléctrica se midieron con un pH metro, termómetro de
láser y un conductivimetro respectivamente.
En el Cuadro 5.3 se especifica cada uno de los equipos utilizados
Cuadro 5.3 Especificaciones del equipo utilizado en la determinación de los parámetros
físico químicos del agua residual.
Equipo
Fabricante Ámbito
Termómetro digital Fisher Scientific Micropipeta Fisherbrand 100-1000 µL
Plantilla magnética Fisher Scientific 0-400 °C, 0-1200 rpm Absorción atómica Agilent Technologies
pH metro OAKTON - Horno estufa Fisher Scientific 0-500 °C
Balanza analítica Mettle Toledo 0-220 g Cristalería general Fisherbrand 10 – 4000 mL
5.4 Caracterización de la entrada y salida de cada unidad del sistema de tratamiento
En el Cuadro 5.4 se muestran los resultados de la caracterización físico-química de cada
uno de los puntos de muestreos realizados en la sección 1 del sistema de tratamiento
(Figura 5.1). Lo anterior, con el fin de visualizar el comportamiento de los parámetros a la
entrada y salida de cada unidad.
En cada uno de los puntos de muestro se procuró determinar el caudal, pero al final no fue
posible debido a que no se contaba con medidores digitales, y el acceso a los puntos de
muestreo se dificultaba, lo cual generó que la posibilidad de tomar el tiempo y el volumen
de manera coordinada (al mismo tiempo) fuera nula.
46
Figura 5.1 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 1 del tratamiento que se lleva a cabo en la empresa.
En el Cuadro 5.4 se observa que las concentraciones de sólidos suspendidos, sólidos
sedimentables, cobre y níquel desde el punto de muestreo 1 hasta el punto 5 son pequeñas o
nulas, encontrándose las mismas por debajo del valor máximo permitido (50, 1, 0,5 y 1
mg/L respectivamente) por la legislación de vertido de aguas en un cuerpo receptor.
Cuadro 5.4 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 1 del tratamiento de las aguas residuales.
Punto de muestreo
Parámetros 1 2 3 4 5
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 25 10 0 15 Sólidos disueltos (mg/L) 530 810 810 10 355
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0 0 0 0 CE (µS/cm) 383 448 448 50 622
pH 3,23 6,29 6,86 4,29 3,38 Cobre (mg/L) 0,134 0,13 0,101 0,002 0,203 Níquel (mg/L) 0,161 0,107 0,1102 0,065 0,182 Estaño (mg/L) 26,4 29,5 24,6 2,2 12,5
Temperatura (°C) 22 23,7 23,4 23,3 23,2
Por su parte, la concentración del estaño es significativamente pequeña en el punto 4
(permeado de la ósmosis inversa) en comparación a los otros puntos de muestreo, sin
47
embargo, la misma es superior a la concentración permitida (2 mg/L) en el reglamento de
vertido de aguas (MINAE, 2007).
En el Cuadro 5.5 se observa que la concentración del estaño, níquel y cobre en todos los
puntos de muestreo, a excepción de los puntos 10, 15 y 16, presenta un valor superior al
máximo permitido (2, 1 y 0,5 mg/L respectivamente) en el reglamento de vertido de aguas
(MINAE, 2007). En la Figura 5.2 se muestra la distribución de los puntos de muestreo a lo
largo de la sección 2 del sistema de tratamiento que se estudia en este trabajo.
Cuadro 5.5 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 2 del tratamiento de las aguas residuales.
Parámetros Punto de muestreo
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Sólidos suspendidos
(mg/L) 10 15 45 365 0 350 275 80 230 0 0
Sólidos disueltos (mg/L) 3535 4490 4855 4670 4365 4640 4700 4330 4420 4225 3095
Sólidos sedimentables
(mL/L) 0,1 0 0,1 13 0 15 14 0 4,5 0 0
CE (µS/cm) 5900 6430 6710 6290 6420 6400 6170 6130 6180 6180 4650 pH 2,84 3,61 11,0 11,2 11,1 11,1 11,2 11 11 11 7,92
Cobre (mg/L) 13,9 5,78 1,15 33,4 0,24 32,2 23,4 9,02 22,8 0,24 0,07 Níquel (mg/L) 22,7 10,9 1,62 51,6 0,50 48,9 37,9 11,8 35,5 0,43 0,37
Estaño (mg/L) 7,9 8,5 11,1 98 1,8 69 15,8 13,4 17,2 1,9 1,9 Temperatura
(°C) 23,1 23 23 23,3 23 22,6 23 22,6 23,9 24,1 24,2
Nota: La muestra del punto 6, corresponde a una muestra compuesta de las 4 corrientes numeradas con dicho número en la Figura 5.2. En dicha figura, se señalan dos puntos de muestreo 10, sin embargo la muestra se realizó en uno de los puntos, debido a que ambas corrientes no trabajan al mismo tiempo, si no que una empieza a funcionar sólo si la otra se encuentra detenida por fallo o mantenimiento. Lo mismo ocurre con el punto de muestreo 11.
La temperatura del agua durante todo el tratamiento, tanto en la sección 1 como en la sección 2, se mantiene dentro del intervalo (15 °C ≤ T ≤ 40 °C) que permite la legislación costarricense.
48
Figura 5.2 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 2 del tratamiento que se lleva a cabo en la empresa.
49
CAPÍTULO 6
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
En el presente capítulo se detalla el desempeño de la planta de tratamiento del agua residual
del proceso de recubrimiento metálico, mediante la determinación de los parámetros de
calidad requeridos, y correspondientes a la entrada y a la salida de cada una de las unidades
o equipos de estudio.
6.1 Sección 1
En el Cuadro 6.1 se muestra la caracterización del agua en el tanque de pretratamiento. En
el mismo se aprecia un aumento del pH en tres unidades, que se debe a la adición de
sustancias químicas, en este caso de hidróxido de sodio con el objeto de cumplir con la
función de este tanque, aumentar el pH del agua hasta aproximadamente 7 para su posterior
ingreso al módulo de osmosis inversa. Lo anterior es un indicativo de que el objetivo que se
tiene en esta etapa se está cumpliendo.
Cuadro 6.1 Caracterización físico-química en el tanque de pretratamiento.
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 25
Sólidos disueltos (mg/L) 530 810
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0
CE (µS/cm) 383 448
pH 3,23 6,29
Cobre (mg/L) 0,134 0,130
Níquel (mg/L) 0,161 0,107
Estaño (mg/L) 26,4 29,5
Temperatura (°C) 22 23,7
50
También, se observa un aumento en la concentración de los sólidos disueltos y del estaño;
dicho comportamiento se puede deber a una anterior acumulación en el tanque y un arrastre
de esos sólidos acumulados por parte de la corriente de salida.
En el Cuadro 6.2 se presenta la caracterización del agua en el tanque de alimentación OI
(V-107), en la cual en cuanto a los sólidos sedimentables y a los sólidos disueltos no hay
diferencia alguna entre la entrada y la salida, cuyo comportamiento era de esperar, debido a
que este tanque sólo tiene la función de almacenar el agua por un corto periodo, esto con el
fin de asegurar que el agua entre al sistema de osmosis en las condiciones adecuadas;
mientras para las concentraciones de níquel y cobre se muestran variaciones muy pequeñas
las cuales pueden deberse a la incertidumbre del equipo de absorción atómica.
Cuadro 6.2 Caracterización físico-química en el tanque de alimentación OI.
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 25 10
Sólidos disueltos (mg/L) 810 810
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0
CE (µS/cm) 448 448
pH 6,29 6,86
Cobre (mg/L) 0,13 0,10
Níquel (mg/L) 0,107 0,11
Estaño (mg/L) 29,50 24,60
Temperatura (°C) 23,70 23,40
En el Cuadro 6.3 se presenta la caracterización físico-química del agua en el sistema de
ósmosis inversa, en el mismo se puede apreciar que el permeado no contiene sólidos
suspendidos ni sólidos sedimentables, obteniendo un porcentaje de remoción del 100% para
51
los sólidos suspendidos. Así como, una eficacia de remoción del 98,8% de los sólidos
disueltos. De tal manera, el sistema de ósmosis inversa cumple con uno de sus objetivos.
Cuadro 6.3 Caracterización físico-química en el sistema de ósmosis inversa
Parámetro Entrada Salidas
Permeado Concentrado
Sólidos suspendidos (mg/L) 10 0 15
Sólidos disueltos (mg/L) 810 10 355
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0 0
CE (µS/cm) 448 622 622
pH 6,86 4,29 3,38
Cobre (mg/L) 0,101 0,002 0,203
Níquel (mg/L) 0,11 0,065 0,182
Estaño (mg/L) 24,6 2,2 12,5
Temperatura (°C) 23,4 23,3 23,2
Las concentraciones de cobre y níquel al igual que la temperatura, tanto a la entrada como a
la salida, se encuentran dentro de lo permitido por la legislación de vertido de aguas en un
cuerpo receptor. En cuanto a los metales, el sistema sólo eliminó el 41% de níquel, cuando
se espera que removiera el 80% (valor suministrado por el fabricante), en cambio, la
remoción de cobre fue de 98% superando lo esperado.
De acuerdo con la literatura, al purificar el agua con ósmosis inversa, la menor
concentración que se obtiene de los metales pesados es de 0,1 mg/L (Cuadro 6.4). Esto
puede ser la razón por la cual no se logró un porcentaje de remoción de níquel mayor al
obtenido, ya que la concentración final de este metal fue de 0,065 mg/ L, siendo la misma
inferior a la concentración teórica que puede obtenerse con la utilización de esta operación.
52
Cuadro 6.4 Calidad del agua posterior a los tratamientos de purificación
Agua
ciudad
Destilación
simple
Destilación
triple
Osmosis
inversa
Material inorgánico (mg/L) 170 1,0 0,3 20
Resistencia específica
(megohms/cm) a 25 °C 0,003 0,5 2,0 0,025
Silicatos (mg/L) 1,0 0,1 0,05 0,1
Metales pesados (mg/L) 1,0 0,1 0,05 0,1
Materia orgánica (mg/L) 12,0 1,0 Menos de 1,0 Menos de 1,0
Microorganismos/mL 100 Menos de 10 Menos de 10 10
Fuente: Modificado de (Dharan, 2002, pág. 58)
Caso contrario al níquel y cobre, ocurre con la concentración del estaño y el pH; respecto a
la concentración del estaño, esta presentó una remoción del 91,06% (Ver Cuadro B.4), sin
embargo el efluente (Permeado) incumple con el reglamento debido a que se encuentra 0,2
mg/L por encima del valor límite máximo permitido, mientras que el pH se encuentra por
debajo del límite inferior (5 ≤ pH ≤ 9) establecido en el reglamento. Lo anterior indica que
dicha agua no puede ser utilizada en las líneas de producción sin antes aumentar el pH y
disminuir la concentración de estaño.
Lo que respecta a la remoción del estaño, puede no ocurrir por mal funcionamiento del
sistema, sino por un exceso de este metal, lo que hace parecer que se requiere colocar un
tratamiento anterior o posterior a la ósmosis para disminuir la concentración de estaño en la
corriente, esto con el fin de no generar problemas en las líneas de producción.
En cuanto al concentrado, se muestran concentraciones de níquel, estaño, cobre y sólidos
suspendidos y disueltos superiores a las reportadas para el permeado; lo cual puede
presentarse debido a que “cuando el agua pasa a través de la membrana, quedan retenidas
especies químicas, moléculas e iones de mayor tamaño al diámetro del poro de la
membrana, generando de esta manera que el agua que ha traspasado la membrana
53
(permeado) quede bastante purificada y el agua que no pasó la membrana sea agua residual
concentrada” (Esteban Santos, 2010, pág. 97).
6.2 Sección 2
En el Cuadro 6.5 se presenta la caracterización en el tanque de reacción 1 (V-111), en el
cual se observa una disminución significativa en las concentraciones de níquel y cobre,
presentando una remoción del 51,61% y 57,13% respectivamente, y un aumento del pH,
estos cambios pueden llevarse a cabo por la adicción de hidróxido de sodio.
Cuadro 6.5 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 1 (V-111).
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 10 15 Sólidos disueltos (mg/L) 3535 4490
Sólidos sedimentables (mL/L) 0,1 0 CE (µS/cm) 5900 6430
pH 2,84 3,61 Cobre (mg/L) 13,95 5,98 Níquel (mg/L) 22,65 10,96 Estaño (mg/L) 7,9 8,5
Temperatura (°C) 23,1 23
La función del tanque de reacción 1, es más la de ecualizar corrientes que el precipitar los
metales, aun así en la empresa buscan que el pH del agua sea aproximado a 4 (determinado
por ensayos de prueba y error), el cual es un valor atípico para precipitar metales de
acuerdo con la literatura. Como se muestra en la Figura 6.1, la cual presenta curvas
“idealizadas” de concentraciones de metal contra pH para los metales comunes, el pH
óptimo para que se presente la precipitación de cobre es de aproximadamente 8,2, donde se
tiene que la concentración de cobre remanente en el agua tratada sería cercana a 0,06 mg/L.
Al igual, para el níquel el pH óptimo es de aproximadamente 10,6 y la concentración de
níquel restante sería de 0,06 mg/L.
54
Figura 6.1 Precipitación de sales de metal contra pH. Fuente: (García Víquez, 1995)
55
En las aguas residuales de muchas industrias químicas y mineras se pueden encontrar
especies que tienen la capacidad para formar complejos metálicos, entre los inorgánicos se
encuentran los aniones , , , ,
, y la especie ; entre los
ligandos orgánicos más frecuentes están los ácidos carboxílicos, aminopolicarboxílicos
(EDTA, NTA), entre otros. (Rodríguez & García-Cortés, 2006)
La presencia en el medio de especies complejantes hacen variar los modelos de
precipitación y solubilidad, que deberán ser planteados de forma diferente. En muchos
casos, la fuerte interacción química ligando-metal puede llegar a impedir la precipitación
parcial o total del ión metálico. Adicional a los efectos químicos que se produzcan, se
deben tener en cuenta que en esta etapa de complejación pueden producirse cambios
importantes en el tamaño de las partículas sólidas y en la morfología del sólido a precipitar
(Rodríguez & García-Cortés, 2006).
Lo anterior puede ser una posible explicación de por qué se utiliza un pH aproximado a 4
en el tanque de reacción 1 (V-111), lo cual no se puede asegurar porque ese valor la
empresa lo estableció a “prueba y error”, sin saber la razón de por qué se adapta mejor este
valor de pH en lugar de otros.
En cuanto a la conductividad eléctrica, la misma aumentó en más de 500 µS. Esta variación
al igual que en la mayoría de las operaciones anteriores, puede ser consecuencia del cambio
en la cantidad de sólidos disueltos en la muestra de salida respecto a los contenidos en la
muestra de entrada.
En el Cuadro 6.6 se muestra la caracterización del agua en el tanque de reacción 2 (V-112),
en el mismo se observa un aumento en el pH, este cambio se debe a la adición de hidróxido
de sodio cuya finalidad es llevar el pH a un ámbito básico y disminuir la solubilidad de los
metales para dar paso a la precipitación de metales presentes (Izquierdo Sanchis, 2010).
56
Cuadro 6.6 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 2 (V-112).
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 15 45 Sólidos disueltos (mg/L) 4490 4855
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0,1 CE (µS/cm) 6430 6710
pH 3,61 11,03 Cobre (mg/L) 5,98 1,15 Níquel (mg/L) 10,96 1,62 Estaño (mg/L) 8,50 11,10
Temperatura (°C) 23,0 23,0
Como se aprecia en el cuadro, se presenta una disminución en la concentración de cobre y
níquel, generando una remoción del 80,6 y 85,2 % respectivamente (Cuadro B.4). Lo
anterior se debe al cambio de pH, esto porque a un pH de 11 se obtiene la precipitación de
estos dos metales.
Sin embargo, tal y como se muestra en el Cuadro 6.7, el porcentaje teórico de remoción de
níquel y cobre para una actividad de acabados metálicos con el uso de hidróxido de sodio
como reactivo de precipitación es de 93%, siendo este mayor a los porcentajes obtenidos.
Cuadro 6.7 Precipitación de metales mediante el uso de diferentes reactivos
Proceso Metales Reactivo % Recuperación
Recubrimiento Cd, Cu, Zn Sulfuro ›99 Cd, Cu, Zn
Acabado metálico Cr, Cu, Zn NaOCl, NaOH, NaHSO3
88 Cr, Cu, Zn
Soluciones metálicas Cu CaCO3 75-80 Cu
Acabados metálicos Cd, Cu, Cr, Ni, Zn NaOH 93-98 Zn
Residuos electrolisis Co, Cu, Ni H2O2, ácido oxálico 93-99 Co, Cu, Ni
Fuente: Modificado de (Hernández Sánchez, 2011)
57
El porcentaje de remoción puede atribuirse al valor de pH utilizado, ya que de acuerdo con
la Figura 6.2 a un pH de 11 se logra precipitar el cobre y níquel, generando que sus
concentraciones sean bajas (0,15 y 0,01 mg/L respectivamente). No obstante, sí se trabaja a
un pH de 10, la solubilidad de los dos metales sería menor; de tal manera que se puede
alcanzar concentraciones de níquel y cobre aún menores a las conseguidas a pH de 11.
Figura 6.2 Curvas de precipitación de sales de metal contra pH Fuente: Modificado de (Simon, 2008)
Según la Figura 6.3, el estaño precipita con hidróxido de sodio a pH entre 4,25 y 9,75; estos
valores se encuentran dentro del intervalo de pH que contempla todo el proceso del tanque
2, por lo que es de esperar que precipite. Sin embargo, el estaño no precipita y la corriente
de salida tiene mayor concentración de este metal; este comportamiento puede deberse a
que “el zinc, aluminio, estaño y cromo III pueden disolverse nuevamente a pH muy elevado
58
en función del álcali empleado” (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental,
1997, pág. 108). Tal y como se observa en la siguiente figura, a pH superior a 10 y
utilizando NaOH, la precipitación del estaño no se lleva acabo; más bien su solubilidad
incrementa.
Figura 6.3 Precipitación de los principales metales en función del pH y determinación de los pH a los cuales no se superan los límites determinados en la figura
Fuente: (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental, 1997, pág. 108)
En el Cuadro 6.8 se expone la caracterización físico-química del sistema de microfiltración,
en el mismo se observa un permeado libre de sólidos suspendidos y sedimentables
provocando un porcentaje de remoción del 100%, así como una considerable disminución
en la concentración de los metales respecto al afluente de la unidad, obteniendo una
59
remoción de 99,28%, y del 99,02% y 98,16% para el cobre, níquel y estaño
respectivamente.
Cuadro 6.8 Caracterización físico-química en el sistema de microfiltración
Parámetro Entrada Salidas
Permeado Concentrado
Sólidos suspendidos (mg/L) 365 0 350 Sólidos disueltos (mg/L) 4670 4365 4625
Sólidos sedimentables (mL/L) 13 0 15 CE (µS/cm) 6290 6420 6400
pH 11,2 11,1 11,1 Cobre (mg/L) 33,40 0,24 32,2 Níquel (mg/L) 51,57 0,503 48,98 Estaño (mg/L) 98,00 1,80 69,00
Temperatura (°C) 23,3 23 22,6
La remoción en el sistema de microfiltración coincide con la esperada, según lo indicado en
la literatura. Conforme a los resultados del estudio, el sistema de microfiltración no reporta
problema alguno en cuanto al permeado. Sin embargo, en ocasiones cuando se encontraba
operando, el mismo presentó inconvenientes, los cuales pueden deberse más al
ensuciamiento de sus conductos y a que el mantenimiento del mismo no sea preventivo.
El ensuciamiento de la membrana se puede solucionar realizando una limpieza con ácido, la
misma consiste en limpiar los módulos con una solución de 3 a 5% de ácido clorhídrico
(HCl) para disolver depósitos que son solubles en ácido. Esta solución de limpieza es
circulada a través de los módulos de microfiltración durante 15 minutos, seguido por un
enjuague de 45 minutos. Posteriormente, la solución se recircula por otros 45 minutos a
través del sistema de membrana, transcurrido este procedimiento se efectúa un lavado con
agua. (Cartwright P. , 2013)
En caso de no ser efectiva la limpieza ácida, se procede a ejecutar una limpieza básica, la
cual se basa en “utilizar hidróxido de sodio (NaOH) e hipoclorito de sodio (NaOCl) en una
60
solución de limpieza que contiene de 12 a 15 por ciento de NaOCl a un pH de 12-13. Este
paso de limpieza es efectivo para remover la biopelícula y otros contaminantes orgánicos.
La solución es circulada a través de los módulos de microfiltración durante 30 minutos,
seguida por un enjuague de 150 minutos, por último una recirculación de la solución por
otros 30 minutos” (Cartwright P. , 2013, pág. 4).
Por otra parte, el comportamiento mostrado por parte de la conductividad eléctrica (CE) en
el Cuadro 6.1, Cuadro 6.5 y Cuadro 6.6, puede deberse al aumento de los sólidos disueltos,
debido a que “… la conductividad del agua depende de la concentración total de sustancias
disueltas en el agua y de la temperatura a la cual se realice la determinación” (Muñoz Cruz,
2008). También, esta conducta puede radicar en el exceso de iones como: Na+, OH-
provenientes de los compuestos químicos añadidos, por ejemplo el hidróxido de sodio.
Una vez evaluadas cada una de las operaciones que componen el sistema de tratamiento de
las aguas residuales, se procede a realizar una evaluación global de cada una de las
secciones estudiadas.
En el Cuadro 6.9 se muestran los valores obtenidos de los parámetros fisicoquímicos tanto
en el afluente como en el efluente de la sección 1.
Cuadro 6.9 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 1.
Parámetro Afluente Efluente
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 0 Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0
CE (µS/cm) 383 622 pH 3,23 4,29
Cobre (mg/L) 0,134 0,002 Níquel (mg/L) 0,161 0,065 Estaño (mg/L) 26,4 2,2
Temperatura (°C) 22 23,3
61
La eficacia de funcionamiento del tratamiento global de dicha sección respecto a la
concentración de níquel presente antes y después del tratamiento es de 59,63%, el cual está
por debajo de la eficacia esperada (85%). A pesar de ello, la concentración del efluente se
encuentra por debajo del valor estipulado por el reglamento.
En cuanto a la globalidad de la sección 2, los valores de cada uno de los parámetros
analizados se muestran en el Cuadro 6.10.
Cuadro 6.10 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 2
Parámetro Afluente Efluente
Sólidos suspendidos (mg/L) 10 0
Sólidos sedimentables (mL/L) 0,1 0
CE (µS/cm) 5900 6420
pH 2,84 11,1 Cobre (mg/L) 13,95 0,24
Níquel (mg/L) 22,65 0,503 Estaño (mg/L) 7,9 1,8
Temperatura (°C) 23,1 23
La eficacia de funcionamiento del tratamiento global de dicha sección respecto a la
concentración de sólidos suspendidos, sólidos sedimentables, cobre y níquel se encuentra
por encima del esperado (90%). Respecto a la concentración de estaño, la eficiencia está
por debajo con un valor del 77%, sin embargo el valor es inferior al valor permitido por la
legislación.
El pH del efluente de ambas secciónes están fuera del intervalo de pH permitidos en la
legislación, por lo que es necesario ajustarlos antes de realizar el vertido o la utilización de
las aguas.
62
De acuerdo al estudio y los resultados obtenidos en este proyecto, no fue necesario
redimensionar ninguna de las unidades que conforman el sistema de tratamiento de las
aguas residuales.
Por otra parte, en los meses que se estuvo trabajando en la empresa se pudo observar que
habían aspectos a los que no se le daba gran importancia, pero los cuales pueden repercutir
en el funcionamiento de la planta, como lo son los flujos volumétricos o caudales. A
continuación se realiza una serie de recomendaciones.
Se recomienda colocar medidores de fujo a la entrada o salida de cada unidad con el fin de
tener mayor control de los caudales, ya que se cuenta con muy pocos medidores, de los
cuales la mayoría están sucios y la lectura se complica. Así mismo, la medición manual de
los flujos en cuestión es compleja por el difícil acceso.
Los tanques de almacenamiento V-101, V-102 contienen el agua procedente del vaciado de
los baños agotados (básicos y ácidos respectivamente), por lo que es de esperar que en
algún momento se queden sin agua debido a que esas aguas son efluentes discontinuos del
proceso de galvanoplastia. Por tanto, se recomienda que la sección 2 de la planta de
tratamiento se lleve a cabo como un proceso continuo, esto es, con un suministro continuo
del agua proveniente de la sección 1, y una alimentación periodica de las aguas ácidas y
básicas.
Por último, el tanque de concentración (V-113). Este tiene el fondo plano, y las salidas de
agua (hacia el sedimentador y la que se dirige al sistema de microfiltración) se encuentran
muy cercanas, lo cual puede provocar que muchos de los sólidos que deben dirigirse hacia
el sedimentador ingresen al sistema de microfiltración, afectando su funcionamiento y
generando el ensuciamiento de la membranas del sistema, por lo que se recomienda separar
en mayor distancia las salidas.
63
Además, se recomienda colocar una placa dentro del tanque que genere un ángulo con el
fondo del mismo (Figura 6.4), esto con el objeto de crear un tipo de sedimentador dentro
del tanque y ayudar a que los sólidos que sedimenten sean retirados hacia el sedimentador
con mayor facilidad, y de esta forma tal vez evitar que sean ingresados a microfiltración.
Figura 6.4 Diseño del tanque de concentración con la colocación de la placa.
64
CAPÍTULO 7
DIMENSIONAMIENTO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
En este capítulo se presenta el dimensionamiento de un sistema de tratamiento de aguas
residuales propuesto que permite mejorar el sistema de tratamiento actual de la empresa.
El volumen generado por los baños agotados al ser comparados con la cantidad generada
por los enjuagues es poco significativo; no obstante debido a la elevada concentración de
metales, deben ser tomados en cuenta. Esta agua sería suministrada periódicamente al
sistema de tratamiento.
Es por ello que el dimensionamiento se realiza partiendo del volumen de agua de los baños
gastados (ácidos y básicos), de los enjuagues, otras aguas como las provenientes del
intercambio iónico o de la oxidación de cianuro y la concentración de los constituyentes
presentes. El sistema se compone de cuatro tanques de almacenamiento y un tanque
neutralizador. Consecuente al tratamiento químico con los polímeros; los flóculos son
separados por gravedad en un sedimentador de fondo cónico y el líquido clarificado es
transportado a otro tanque neutralizador. Una vez neutralizado el clarificado, se transfiere a
un tanque de almacenamiento, y de este el agua tratada es bombeada a las líneas de
producción. Los tanques de neutralización y el de floculación cuentan con un sistema de
agitación de acuerdo a su necesidad. El sistema trabajará en continuo siempre y cuando se
tenga agua para tratar.
Para obtener una mejor calidad del agua para reutilizarla en las líneas de producción se
sugiere utilizar el módulo de osmosis inversa (la empresa cuenta con uno) al final del
tratamiento, esto con el fin de disminuir o eliminar en su totalidad los sólidos disueltos
presentes en el agua.
65
7.1 Diagrama del sistema propuesto
Figura 7.1 Distribución de la planta de tratamiento propuesta
66
Como reactivos se utilizará soluciones de hidróxido de sodio y de ácido sulfúrico, los
cuales se mantendrán en sus respectivos tanques. Estos recipientes tienen la facilidad de ser
reemplazados una vez estén vacíos por unos tanques llenos.
El control de pH, la adicción de los reactivos químicos se realizan mediante control
automático.
7.2 Tanques de almacenamiento
Los tanques de almacenamiento, en este caso, tiene la función de desempeñarse como
tanques homogeneizadores. Con el objetivo de que las variaciones horarias del gasto de
agua residual no generen un efecto adverso en el funcionamiento de los procesos de la
planta; el cambio constante de la cantidad y concentración del agua residual a ser tratada
propicia que la operación eficiente de los procesos sea difícil. Además, muchas unidades de
tratamiento tendrían que diseñarse para las condiciones de gasto máximo extraordinario,
provocando su sobredimensionamiento para las condiciones promedio.
7.2.1 Tanque almacenamiento para las aguas de los enjuagues
Para dimensionar el tanque de almacenamiento de las aguas provenientes del enjuague de
las piezas metálicas, es necesario conocer el volumen total generado en cada lote
producido, es decir, se toma en cuenta el volumen de descarga por turno.
Para determinar el volumen, se realizó un aproximado del agua que requieren las líneas de
producción para realizar los enjuagues (dispersores de agua) y tomarlo como si fuese el
mismo que se desecha, en totalidad se requiere de 18 gpm. También, se determinó mediante
el afluente al tanque de almacenamiento que la empresa contaba, el cual registró un
máximo de 15,94 gpm. Para evitar desbordamientos, se considera el volumen total para el
dimensionamiento de 20 gpm en un turno de 12 horas (54,51 m3).
67
El almacenamiento de las aguas se lleva a cabo a presión atmosférica en un tanque cerrado,
de fondo plano, y la base se encuentra sobre el piso para que proporcione soporte al tanque
debido al peso.
Tomando como punto de partida el diseño estándar de un tanque agitado, se utiliza una
relación proporcional entre el diámetro y altura ( ); empleando la ecuación 7.1 y
basándose en volumen anterior, se determina el diámetro del tanque.
⁄ (7.1)
Se sobredimensiona la altura del tanque con un 20% de seguridad con ayuda de la ecuación
7.2
(7.2)
Las dimensiones del tanque de almacenamiento se presentan en el Cuadro 5.1
Cuadro 7.1 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes de los enjuagues.
Volumen del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
(m3) (m) (m)
54,51 4,09 4,91
7.2.2 Tanque almacenamiento para las aguas de los baños gastados
Para dimensionar los tanques de almacenamiento de las aguas de los baños ácidos y los
básicos se consideró el volumen total generado por semana, es decir, se toma en cuenta el
volumen total de descarga por los 4 mantenimientos, y el tamaño de las cubas que
68
contienen cada baño. El volumen total generado por las aguas provenientes por los baños
ácidos y básicos es de 1,63 m3 y 1,50 m3 respectivamente.
Tomando una relación proporcional entre el diámetro y altura ( ), utilizando la
ecuación 7.1 y basándose en los volúmenes indicados, se determina el diámetro de cada
tanque.
En el Cuadro 7.2 se muestra las dimensiones de los tanques de almacenamiento de los
baños agotados.
Cuadro 7.2 Dimensiones de los tanques de almacenamiento de las aguas provenientes de los baños ácidos y básicos.
Tanque de
almacenamiento de
Volumen del
tanque
Diámetro del
tanque Altura del tanque
(m3) (m) (m)
Aguas ácidas 1,63 1,27 1,53
Aguas básicas 1,50 1,24 1,48
Para el volumen generado por semana la empresa puede construir tanques con las
dimensiones brindadas, o comprar tanques que hay en el mercado con una capacidad de
450 galones (1,70 m3). En caso de que la empresa no quiera incurrir en gastos, la opción es
reutilizar los 2 tanques que ya antes estaban destinados para esta misma función (2000
galones cada uno).
7.2.3 Tanque almacenamiento para otras aguas
En el dimensionamiento del tanque de almacenamiento para otras aguas, se debe considerar
el agua que se desecha del tratamiento de resinas que realiza la empresa, o bien, del
tratamiento de oxidación de cianuro, y aguas de la limpieza cuando ocurren derrames (2,43
gpm).
69
En el Cuadro 7.3 se muestra las dimensiones de los tanques de almacenamiento aguas
provenientes del tratamiento de resinas.
Cuadro 7.3 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes del tratamiento de resinas.
Volumen del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
(m3) (m) (m)
13,25 2,56 3,07
Para el volumen generado por día, se recomienda utilizar un tanque con las dimensiones
mostradas en el Cuadro 7.3, o comprar un tanque de los que ofrecen los diversos
fabricantes, con una capacidad de 5000 galones (18,93 m3).
7.3 Precipitación y Coagulación-Floculación
Precipitación
El término precipitación se utiliza para describir la formación de sustancias insolubles
causada por la transformación química de un ión en otro con mayor o menor estado de
oxidación.
Este proceso es ampliamente usado para tratamiento de efluentes inorgánicos, ya que al
ajustar el pH a condiciones básicas, los iones metálicos disueltos se convierten en
compuestos insolubles por la reacción química con un agente precipitante. Típicamente el
precipitado metálico de la solución es un hidróxido como se muestra en la reacción:
M2+ + 2(OH)- ↔ M(OH)2 (S) (7.3)
Donde M2+ y OH- representan los iones metálicos disueltos y el agente precipitante
respectivamente, mientras M(OH)2 es el hidróxido metálico insoluble (Ramón Valencia,
2014).
El hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y el hidróxido de sodio (NaOH) son los agentes
precipitante comúnmente usados para aumentar el pH de los efluentes líquidos, dada la gran
70
cantidad de sales insolubles que forman, no obstante, otros reactivos como el hidróxido de
magnesio (Mg(OH)2) y el óxido de magnesio (MgO2) reportan varias ventajas,
principalmente debido a su impacto mínimo sobre el medio ambiente y baja toxicidad
(Ramón Valencia, 2014).
Coagulación-Floculación
Los procesos de coagulación-floculación son empleados para remoción de metales y otras
partículas de aguas residuales. “Los procesos coagulantes desestabilizan materia en
suspensión (coloide) de tamaño muy pequeño (10-6 –10-9m) que suelen ser muy estables
debido a interacciones eléctricas entre las partículas. El proceso continúa con la floculación,
que permite a las partículas o coágulos suspendidos, aglomerarse unos a otros para formar
flóculos de tamaño y densidad apropiada para su separación por gravedad” (Ramón
Valencia, 2014, pág. 17).
La diferencia básica entre coagulante y floculante reside en que el coagulante anula las
fuerzas repulsivas entre las partículas coloidales, iniciando la formación de flóculos, y el
floculante engloba estos flóculos aumentando su tamaño y densidad de modo que
sedimenten más fácil y rápidamente (Orozco Barrenetxea, Pérez Serrano, González
Delgado, Rodríguez Vidal, & Alfayate Blanco, 2003).
7.3.1 Tanques neutralizadores
El tanque neutralizador 1 tendrá la función de ajustar el pH del agua residual a un valor de
9.5, ya que de acuerdo con lo discutido en la Figura 6.2 y Figura 6.3 en el capítulo anterior,
este es el valor conveniente para lograr la precipitación conjunta del cobre y níquel.
Mientras que, el agua del tanque neutralizador 2 será ajustada a un pH de 7, con el fin
reutilizar el agua en el proceso de recubrimiento de las piezas metálicas.
La reacción de neutralización debe ser controlada de forma estricta con dosificadores de
reactivos, activados mediante sensores unidos a medidores de pH y de caudal de entrada.
71
De acuerdo con la literatura, estos tanques deben mantener un mezclado rápido y continuo
por un periodo de 5 a 7 minutos (California State University, Sacramento; Department of
Civil Engineering; Office of Water Programs, 1986). Mientras que Sainz en su libro,
recomienda un tiempo de retención entre 5 y 15 minutos (Sainz Sastre, 2005)
El afluente de neutralizador 1 se constituye de: 20gpm proveniente del tanque V-103, 3
gpm de V-106; y aproximadamente 0,5 galones cada 15 minutos de los tanques V-104 y V-
105.
Es por ello, que para dimensionar el tanque se tomó un tiempo de retención de 10 min.
Tomando en cuenta este tiempo, un caudal de 24 gpm (0,091 m3/min) y la ecuación 7.4 se
determinó el volumen de este tanque.
(7.4)
En el Cuadro 7.4 se presentan las dimensiones de los tanques neutralizadores.
Cuadro 7.4 Dimensiones del tanque neutralizador utilizado en el tratamiento de las aguas residuales.
Volumen del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
(m3) (m) (m)
0,91 1,05 1,26
Para la operación de mezclado del agua se consideraron variables que pueden afectar la
selección del agitador como lo son: la viscosidad y la densidad. Los valores de ambas
características fueron considerados como a los correspondientes el agua potable a 25 °C.
Además, considerando la intensidad de agitación requerida, la cual es vigorosa, se planteó
la necesidad de utilizar placas deflectoras en los tanques, con el fin de evitar la formación
de vórtices. El impulsor que se propone es una turbina de tres hojas inclinadas.
El sistema de agitación en ambos tanques fue determinado con base en las relaciones
adimensionales que se exponen en el Cuadro 7.5.
72
Cuadro 7.5 Relaciones adimensionales empleadas en el dimensionamiento del sistema de
agitación.
Relación adimensional
Diámetro del impulsor, ⁄ ⁄ Altura del impulsor respecto al fondo, ⁄ ⁄
Ancho de los deflectores, ⁄ ⁄ Ancho del impulsor, ⁄ ⁄ Altura del impulsor, ⁄ ⁄
En el Cuadro 7.6 se muestran las dimensiones del sistema de agitación utilizado en cada
uno de los tanques neutralizadores.
Cuadro 7.6 Dimensiones del sistema de agitación para los tanques neutralizadores.
Dimensiones Valor
Diámetro del impulsor, (m) 0,35
Altura del impulsor respecto al fondo, (m) 0,35
Ancho de los deflectores, (m) 0,088
Ancho del impulsor, (m) 0,088
Altura del impulsor, (m) 0,070
Número de placas deflectoras 4
La potencia del agitador entregada al fluido y la velocidad de agitación se muestran en el
Cuadro 7.7. Los cálculos correspondientes a la velocidad de agitación y potencia se
presentan en el Apéndice C.15.
Cuadro 7.7 Características del sistema de agitación de cada uno de los tanques neutralizadores.
Potencia Velocidad de agitación
(hp) (rpm)
1,10 296
73
El agitador requerido debe tener una potencia de 1,37 hp (1021,31 W) tomando en cuenta
una eficiencia del 80%.
7.3.2 Tanque de floculación
El agua es enviada a este tanque mediante rebalse, con un caudal de 24 gpm; el polímero es
añadido en la tubería que une el tanque neutralizador 1 con este tanque, con el fin de no
afectar la formación de los flóculos.
La agitación debe ser lenta y llevarse a cabo de 5 a 7 minutos, para así promover el
crecimiento de los flóculos sedimentables, esto de acuerdo con la literatura (California
State University, Sacramento; Department of Civil Engineering; Office of Water Programs,
1986).
El volumen y las dimensiones de este tanque, así como las dimensiones del sistema de
agitación son iguales a las registradas para los tanques neutralizadores, debido a que se
plantearon las mismas condiciones de diseño. La única diferencia radica en que este tanque
no tendrá mamparas, ya que la agitación es lenta; por tanto la potencia entregada y la
velocidad de agitación también son distintas, tal y como se muestra en el Cuadro 7.8.
Cuadro 7.8 Características del sistema de agitación del tanque de floculación. Potencia Velocidad de agitación
(hp) (rpm)
0,14 147
El agitador requerido debe tener una potencia de 0,17 hp (125,58 W) tomando en cuenta
una eficiencia del 80%. No es posible obtener un agitador con dicha potencia, por lo tanto,
la misma se ajustará al valor superior más cercano brindado en el mercado, el cual es de
0,25 hp
74
Para que la empresa no genere un gasto económico en la adquisición de este tanque, se
recomienda reutilizar uno de los tanques con los que ya cuentan, como el que utilizaban en
el pretratamiento, o en la alimentación de la ósmosis inversa.
Debido a la falta de la prueba de jarras, a continuación se recomiendan diferentes polímeros
que pueden ser empleados en esta operación.
MetalSplit: es un polímero según sus fabricantes muy eficiente precipitando metales
pesados. El cual forma lodos densos y compactos que reduce al mínimo los costos de
eliminación y disposición. Trabaja en un amplio rango de pH (3 a 10). Este polímero
puede reaccionar con los siguientes: Cu, Zn, Ga, Sn, Co, Ag, Cd, In, Pb, Ni, Au, Hg, Tl
y Pd. (Zuchem, s.f)
Sales de Fe3+: “Pueden ser FeCl3 o Fe2(SO4)3, con eficacia semejante. Se pueden
utilizar tanto en estado sólido como en disoluciones. La utilización de una u otra está
en función del anión, si no se desea la presencia de cloruros o sulfatos” (Rodríguez
Fernández-Alba, Letón García, Rosal García, Dorado Valiño, Villar Fernández , &
Sanz García, s.f, pág. 22)
Sales de Al3+
: “Suele ser Al2(SO4)3 o policloruro de aluminio. En el primer caso es
más manejable en disolución, mientras que en el segundo presenta la ventaja de mayor
porcentaje en peso de aluminio por kg dosificado” (Rodríguez Fernández-Alba, Letón
García, Rosal García, Dorado Valiño, Villar Fernández , & Sanz García, s.f, pág. 22)
7.4 Sedimentador
La separación de los sólidos en esta unidad se produce por la diferencia de densidades entre
el agua y los lodos.
El tiempo de retención en la sedimentación debe ser entre 1 a 3 horas, según indica la
literatura (California State University, Sacramento; Department of Civil Engineering;
Office of Water Programs, 1986). Teniendo en cuenta lo recomendado, para el
75
dimensionamiento del sedimentador, se tomará un tiempo promedio, siendo el mismo de
120 minutos (2 horas).
Conociendo el tiempo de retención, y con un caudal de 24 gpm, se determina el volumen
con ayuda de la ecuación 7.3. Además, el sedimentador tiene fondo cónico con ángulo de
inclinación de 60 °.
En el Cuadro 7.9 se muestra las dimensiones del sedimentador, la altura tiene un 20% de
seguridad.
Cuadro 7.9 Dimensiones del sedimentador utilizado en el tratamiento de las aguas residuales.
Volumen Diámetro Altura
(m3) (m) (m)
10,90 2,40 2,88
Al finalizar el tiempo de sedimentación el lodo acumulado en la parte inferior del
sedimentador (sección cónica) es extraído por medio de una bomba. Los lodos son
enviados al filtro prensa que posee la empresa. El líquido clarificado es recuperado y
enviado al tanque neutralizador 2; posteriormente es enviada a un tanque de
almacenamiento. Se recomienda bombear el clarificado al módulo de ósmosis inversa que
tiene la empresa, con el fin de eliminar los sólidos disueltos, y tener agua con mejor calidad
para ser reutilizada en las líneas de producción.
Con el tratamiento propuesto se espera que se elimine o disminuya hasta un valor inferior al
permitido por la legislación la concentración el estaño presente en el agua. De no ocurrir lo
anterior, se recomienda utilizar sulfuro de hidrógeno o sales de sulfuro solubles como lo es
el sulfuro de sodio en lugar de hidróxido de sodio. Sin embargo, al utilizar sulfuros se debe
contemplar algunas de sus limitaciones severas debido a que si el pH se deja caer por
debajo de 8 se produce gas de sulfuro de hidrógeno, siendo este peligroso y liberado a la
atmosfera; los costos de precipitación son superiores a los que se incurren con la
precipitación química con hidróxidos. Puede llegar a ser necesario aplicar en el tratamiento
76
un proceso de oxidación, para oxidar cualquier sulfuro residual presente en el agua dada su
toxicidad. (García Víquez, 1995)
Luego de finalizado el periodo de practica en la empresa, no fue posible ingresar a la
misma para tomar más muestras o realizar pruebas adicionales, por lo que se recurrió a
realizar una investigación de estudios anteriores que tuvieran una relación aproximada al
tratamiento que se está proponiendo y utilizar sus datos teóricos como punto de
comparación. Debido a lo anterior se tomó como referencia el estudio realizado por el
Doctor Jacipt Ramón Valencia en el año 2014.
De acuerdo a la referencia citada, Ramón indica que “en los procesos de
coagulación/floculación los coagulantes más comunes son las sales de hierro Fe +3 y el
sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, sin embargo este último es más usado para el tratamiento de
agua potable…” (Ramón Valencia, 2014) Es por ello que dentro de los polímeros
recomendados en el presente estudio se encuentran las sales FeCl3 y Fe2(SO4)3.
En el estudio realizado por Ramón, se crearon muestras de agua sintética sin previa
eliminación de CN- con la cuales realizaron ensayos con los dos floculantes. En tales
pruebas se encontró “que en los experimentos la velocidad de agitación más conveniente
era 135 rpm por 3 minutos para mezclar adecuadamente los reactivos y la muestra de agua
residual y luego una velocidad de 20 rpm hasta completar 20 minutos para formación de los
flóculos. La remoción de metales con las dos sales de hierro es similar, sin embargo con
FeCl3 la sedimentación de los flóculos era más lenta. Se encontraron concentraciones de
hierro residual del orden de 36,55 mg/L en las muestras de aguas tratadas con este reactivo
en comparación con 0,654 mg/L que fue la concentración de hierro residual al utilizar
Fe2(SO4)3, por lo cual para experimentos posteriores el coagulante usado simultáneamente
con el proceso de precipitación química con NaOH fue Fe2(SO4)3…” (Ramón Valencia,
2014, pág. 41).
77
Además, se determinó que el pH óptimo para precipitación química se localiza dentro de un
ámbito restringido de 9,5 a 12, ya que dentro de estos valores se encuentra la
mayor posibilidad de precipitación química de metales pesados.
En el estudio realizado por Jacipt Ramón, la dosis óptima de Fe2(SO4)3 con una
concentración de 4000 ppm fue 75 mL para volúmenes de muestra de 300 mL (Ramón
Valencia, 2014). Tomando lo anterior como referencia, para el tanque floculador del
tratamiento propuesto se requiere aproximadamente 227,5 L de sulfato de hierro (III).
Por otra parte, “la conductividad reportada inicialmente por las muestras fue 1877 µS/s y
disminuyó en un 60% después de todo el tratamiento, así mismo como dicho tratamiento se
realizó en un medio alcalino y se observaron cambios de pH después de cada etapa, como
punto final del proceso se ajustó el pH a 7 con lo cual disminuyó la alcalinidad de las
muestras. De otro lado se logró remover en su totalidad la concentración de iones Cl- y
aunque la remoción de sulfatos no representó un porcentaje considerable (19%), esto se
explica por el sulfato residual después del proceso de coagulación/floculación” (Ramón
Valencia, 2014, págs. 43-44).
La concentración de Cu, Ni y Fe residual en el estudio de Ramón se muestra en el Cuadro
7.10.
Cuadro 7.10 Concentración de contaminantes en muestra de tanque de almacenamiento
durante el tratamiento consecutivo de las muestras. (Ramón Valencia, 2014)
Parámetro Sin tratamiento
(mg/L)
Tratamiento H2O2
(mg/L)
Precipitación- Coagulacion
/Floculación (P-C/F)
(mg/L)
Cu 474,54 345,9 68,64
Ni 4,354 2,15 No detectable
Fe - - 6,293
Nota: en el estudio de referencia toman el dato “no detectable” como cero para efectos de cálculo.
78
Con base en los resultados del Cuadro 7.10, el porcentaje de remoción del níquel fue de
100%, mientras que para el cobre después de la etapa de precipitación-
Coagulación/Floculación fue del 85,53%, la cual no fue suficientemente efectivo para este
metal, es por ello que se debe emplear un proceso adicional como es la ósmosis inversa o el
caso del estudio de Ramón la implementación del proceso de adsorción sobre carbón
activado.
Aplicando los porcentajes de remoción obtenidos por Ramón a la planta de tratamiento
propuesta, se obtiene que la concentración final de níquel y cobre sería de 0 mg/L y 2 mg/L
respectivamente (Cuadro B.15). Esta última encontrándose por encima del límite que
maneja la empresa (basado en el vertido en cuerpo receptor); es por ello que se debe incluir
el sistema de ósmosis inversa tal y como indicó al principio, con el fin de alcanzar la
calidad de agua deseada.
En cuanto al estaño, Ramón Valencia en su estudio no hace referencia del mismo, y no se
dio con un estudio que tuviera un proceso semejante al propuesto. Sin embargo, este metal
puede reaccionar y precipitar con el hidróxido de sodio a un pH entre 4,25 y 9,75 (Figura
6.3) obteniéndose las siguientes reacciones según sea su número de valencia:
(7.5)
(7.6)
Y las reacciones del hidróxido de estaño con el Sulfato de hierro (III) son las siguientes:
(7.7)
(7.8)
79
CAPÍTULO 8
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 Conclusiones
En el sistema de microfiltración se logró una remoción de 99,28%, 99,02% y
98,16% de cobre, níquel y estaño respectivamente.
En el sistema de ósmosis inversa se logró una remoción de 98,02%, 40,91% y
91,06% de cobre, níquel y estaño respectivamente.
El efluente de ambas secciones deben ser neutralizados antes de realizar el vertido
de las aguas.
La remoción de níquel, cobre y estaño en la sección 1 del tratamiento es de 59,63%,
98,51% y 91,67% respectivamente.
La remoción de níquel, cobre y estaño en la sección 2 del tratamiento es de 97,78%,
98,28% y 77,22% respectivamente.
No se puede determinar sí la planta de tratamiento funciona o no adecuadamente
debido a que no se contó con suficientes muestreos.
La instalación de una operación antes o después del sistema de ósmosis inversa
podría ser requerida para eliminar el exceso de estaño que hay presente, pero esto
no se puede afirmar sin que se realice una mayor cantidad de muestreos.
El pH de 4 utilizado en el tanque de reacción 1, es un valor atípico para lograr la
precipitación del cobre y níquel.
El dimensionamiento de la planta está para lograr una remoción del 95% de los
metales, y un 90% de sólidos sedimentables.
La potencia de mezclado de los agitadores seleccionados dependen de las
dimensiones del tanque.
80
8.2 Recomendaciones
El tanque de concentración debería tener un declive o inclinación en el fondo con el
fin de mejorar la eliminación de los sólidos sedimentables que se generan en el
mismo.
En el tanque de concentración se recomienda separar más la salida al sistema de
microfiltración de la salida al sedimentador, para evitar el envío de sólidos
sedimentables hacia el sistema de microfiltración.
Realizar la colocación de tomas y medidores de caudal a la entrada y salida de cada
una de las unidades que integran la planta de tratamiento, con el fin de estar
monitoreando periódicamente, y de tal manera poder determinar el desempeño de
cada una de esas unidades.
Realizar estudios adicionales para tener mayor cantidad de muestras representativas,
y de esta manera poder realizar un análisis más asertivo del comportamiento de la
planta de tratamiento de las aguas residuales.
La empresa debería realizar un estudio o revisión del proceso de recubrimiento en
sí, con el fin de mejorarlo y minimizar el consumo de agua provocando así una
disminución en la generación de agua residual.
Definir un horario de limpieza para los sistemas de microfiltración y osmosis
inversa.
Para el control del ensuciamiento de las membranas de la osmosis inversa, se
recomienda realizar una autopsia de membrana, la cual consiste es un ensayo
destructivo en el que un elemento de una instalación es sacrificado para su estudio
con el objetivo de resolver problemas como empeoramiento de la calidad del
permeado, disminuciones en el caudal de producción o aumento de la presión
diferencial detectados en la operación de la planta.
Para el control de ensuciamiento de las membranas de microfiltración, se
recomienda realizar la limpieza ácida, en caso de no funcionar se procede a realizar
la limpieza básica.
81
Realizar una prueba de jarras para determinar cuál de los polímeros recomendados
genera mayor eliminación de sólidos suspendidos.
82
CAPÍTULO 9
NOMENCLATURA
Símbolo Definición Unidades
A Área m2 Ancho cm CE Conductividad eléctrica µS/cm Diámetro M
Altura del impulsor respecto
al fondo del tanque M
Altura M Largo Cm
MF Módulo de microfiltración Adim. Velocidad de agitación rev/min Número de potencia Adim. Número de bombeo Adim. Potencia W, hp Profundidad Cm Caudal gal/min, m3/min Número de Reynolds Adim. SD Sólidos Disueltos mg/L
SSed Sólidos Sedimentables mL/L SST Sólidos Suspendidos Totales mg/L
Temp Temperatura °C T-R1 Tanque de Reacción 1 Adim
T-R2 Tanque de reacción 2 Adim
Volumen gal, mL, m3 Ancho M Cualquier parámetro Cantidad de cubas o datos Adim. Potencial de Hidrógeno pH Tiempo S Densidad kg/m3
Viscosidad kg/m s
83
Subíndices Acid Activator Nickel Dragout Tanque
Tin Dragout Tanque de concentración Cuba o tanque
Cápsula vacía Cápsula más muestra seca Crisol más muestra seca Corriente requerida Crisol vacío Deflectores Entrada Impulsor Muestra
Promedio Salida Total
Porcentaje de remoción
84
CAPÍTULO 10
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90
APÉNDICES
91
A. Datos experimentales
Cuadro A.1 Datos para determinar el área y el volumen de los tanques actualmente utilizados para realizar el tratamiento de aguas residuales.
Tanque Medida
Diámetro (cm) Altura (cm)
Reacción 1 (V-111) 168 198,1 Reacción 2 (V-112) 168 198,1
Concentración (V-113) 168 198,1 Pretratamiento (V-106) 111,4 136,9
Alimentación OI (V-107) 111,4 136,9
Cuadro A.2 Datos para determinar el volumen necesario de cada corriente que le ingresa al
tanque de reacción 1 (V-111) para obtener una muestra representativa.
Corriente proveniente de: Caudal (gpm)
V-103 20 V-110 10 V-101 1 V-102 1
92
Cuadro A.3 Datos para determinar Sólidos Suspendidos Totales del agua en cada una de las tomas.
Toma Masa Crisol +
muestra (g)
Masa crisol
(g)
Volumen muestra
(mL)
1 24,2592 24,2583 20 2 26,184 26,1835 20 3 24,2589 24,2587 20 4 24,2658 24,2658 20 5 24,2618 24,2615 20 6 24,2573 24,2571 20 7 26,1834 26,1831 20 8 24,2598 24,2589 20 9 24,2666 24,2593 20 10 26,1827 26,1827 20 11 24,265 24,258 20 12 26,1893 26,1838 20 13 24,2627 24,2611 20 14 24,2689 24,2643 20 15 24,257 24,257 20 16 24,261 24,261 20
Cuadro A.4 Datos para determinar Sólidos Disueltos del agua en cada una de las tomas. Toma Masa cápsula+muestra (g) Masa cápsula (g) Volumen muestra (mL)
1 60,0491 60,0385 20 2 60,7737 60,7575 20 3 60,0563 60,0401 20 4 52,8466 52,8464 20 5 60,776 60,7689 20 6 60,8382 60,7675 20 7 60,1364 60,0466 20 8 60,862 60,7649 20 9 60,141 60,0476 20 10 60,8538 60,7665 20 11 60,1399 60,0474 20 12 60,8607 60,7667 20 13 60,8553 60,7687 20 14 60,1408 60,0524 20 15 60,8561 60,7716 20 16 52,9083 52,8464 20
93
Cuadro A.5 Medida de los Sólidos Sedimentables correspondientes a cada toma indicada en los diagramas de la Figuras 5.1 y 5.2.
Toma Sólidos sedimentables (mg/L) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0,1 7 0 8 0,1 9 13
10 0 11 15 12 14 13 0 14 4,5 15 0 16 0
Cuadro A.6 Medida de Temperatura del agua en cada toma indicada en la Figura 5.1 y 5.2.
Toma Temperatura (°C)
1 22 2 23,7 3 23,4 4 23,3 5 23,2 6 23,1 7 23 8 23 9 23,3 10 22,6 11 23 12 23 13 22,6 14 23,9 15 24,1 16 24,2
94
Cuadro A.7 Medida del pH del agua en cada toma mostrada en las Figuras 5.1 y 5.2.
Toma Valor
1 3,23 2 6,29 3 6,86 4 4,29 5 3,38 6 2,84 7 3,61 8 11,03 9 11,20 10 11,10 11 11,10 12 11,20 13 11,13 14 11,00 15 11,00 16 7,92
Cuadro A.8 Medida de la Conductividad Eléctrica del agua en cada toma indicada en las
Figuras 5.1 y 5.2 Toma Conductividad (µs/cm)
1 383 2 448 3 448 4 50 5 622 6 5900 7 6430 8 6710 9 6290 10 6420 11 6400 12 6170 13 6130 14 6180 15 6180 16 4650
95
Cuadro A.9 Datos para determinar el caudal del afluente del tanque V-105. Muestra Volumen (mL) Tiempo (s)
1 1600 1,94
1700 2,63
1400 1,62
1550 2,31 2 1250 2,15
1300 2,34
1600 2,21
1150 1,94 3 1050 1,18 1050 0,93 1050 1,14 1300 1,20
Cuadro A.10 Datos para determinar la capacidad volumétrica de cada cuba o tanque de la línea de producción, cuya agua es enviada al tanque de almacenamiento V-101 o v-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Cubas Ancho
(cm)
Profundidad
(cm)
Largo
(cm)
N° de cubas por
cada 2 líneas Destino
Cleaner Bath 62 36,5 97,3 2 T-8 Acid Activator 62 36,5 97,3 1 T-9 Nickel Dragout 36,5 36,5 97,3 1 T-9
Tin Dragout 36,5 36,5 97,3 1 T-9
96
B. Resultados intermedios
Cuadro B.1 Volumen necesario de cada corriente que le ingresa al tanque de reacción 1
(V-111) para obtener una muestra representativa.
Corriente Volumen (mL)
T-1 1250
T-C2 625 T-8 62,5
T-9 62,5
Cuadro B.2 Sólidos Suspendidos Totales del agua en cada una de las tomas indicadas en el diagrama de las Figuras 5.1 y 5.2
Toma SST (mg/L) 1 45 2 25 3 10 4 0 5 15 6 10 7 15 8 45 9 365 10 0 11 350 12 275 13 80 14 230 15 0 16 0
97
Cuadro B.3 Sólidos Disueltos del agua en cada una de las tomas indicadas en los diagramas de las Figuras 5.1 y 5.2
Toma SD (mg/L)
1 530 2 810 3 810 4 10 5 355 6 3535 7 4490 8 4855 9 4670 10 4365 11 4625 12 4700 13 4330 14 4420 15 4225 16 3095
Cuadro B.4 Corrientes de entrada y salida del tanque de concentración (V-113).
Parámetro
Entradas
Proviene de:
Salidas
Hacia:
T-R2 MF Sedimentador MF Sedimentador
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 350 80 365 275
Sólidos disueltos (mg/L) 4855 4625 4330 4670 4700 Sólidos sedimentables
(mL/L) 0,1 15 0 13 14
CE (µS) 6710 6400 6130 6290 6170 pH 11,03 11,1 11,13 11,2 11,2
Cobre (mg/L) 1,155 32,2 9,02 33,4 23,39 Níquel (mg/L) 1,622 48,98 11,84 51,57 37,85 Estaño (mg/L) 11,1 69 13,4 98 15,8
Temperatura (°C) 23 22,6 22,6 23,3 23
98
Cuadro B.5 Corrientes de entrada y salida del sedimentador.
Parámetro
Entrada
Proviene de:
Salidas
De:
Tanque
Concentración Filtro prensa
Cono del
sedimentador Clarificado
Sólidos suspendidos (mg/L) 275 0 230 80
Sólidos disueltos (mg/L) 4700 4225 4420 4330
Sólidos sedimentables (mL/L) 14 0 4,5 0
CE (µS) 6170 6180 6180 6130 pH 11,2 11 11 11,13
Cobre (mg/L) 23,39 0,244 22,76 9,02 Níquel (mg/L) 37,85 0,429 35,51 11,84
Estaño (mg/L) 15,8 1,9 17,2 13,4 Temperatura (°C) 23 24,1 23,9 22,6
Cuadro B.6 Porcentaje de remoción de los sólidos disueltos, sólidos sedimentables, sólidos
suspendidos y metales en el tanque de reacción 1 (V-111), tanque de reacción
2 (V-112), módulo de ósmosis inversa (S-101) y microfiltración (S-102).
Porcentaje de
recuperación (%)
Equipo o sistema
Tanque de
reacción 1
Tanque de
reacción 1
Osmosis
inversa Microfiltración
Sólidos suspendidos - - 100 100 Sólidos disueltos - - 98,77 6,53
Sólidos sedimentables 100 - - 100
Cobre 57,13 80,69 98,02 99,28 Níquel 51,61 85,20 40,91 99,02 Estaño - - 91,06 98,16
99
Cuadro B.7 Porcentaje de remoción de los sólidos sedimentables, sólidos suspendidos y
metales en la sección 1.
Parámetro Afluente Efluente % remoción
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 0 100 Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0 -
Cobre (mg/L) 0,134 0,002 98,51 Níquel (mg/L) 0,161 0,065 59,63 Estaño (mg/L) 26,4 2,2 91,67
Cuadro B.8 Porcentaje de remoción de los sólidos sedimentables, sólidos suspendidos y
metales en la sección 2.
Parámetro Afluente Efluente % remoción
Sólidos suspendidos (mg/L) 10 0 100 Sólidos sedimentables (mL/L) 0,1 0 100
Cobre (mg/L) 13,95 0,24 98,28 Níquel (mg/L) 22,65 0,503 97,78 Estaño (mg/L) 7,9 1,8 77,22
Cuadro B.9 Caudal del afluente del tanque V-105. Muestra Caudal (gal/min)
1 13,07
10,25
13,70
10,64 2 9,22
8,81
11,48
9,40 3 14,10 17,90 14,60 17,17
100
Cuadro B.10 Caudal promedio del afluente del tanque V-105. Muestra Caudal promedio (gpm)
1 11,91 2 9,72 3 15,94
Cuadro B.11 Volumen de cada una de las cubas de la línea de producción, cuya agua es enviada al tanque de almacenamiento V-101 o V-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Nombre de la cuba Volumen (m3) Destino
Cleaner Bath 0,22 T-8
Acid Activator 0,22 T-9 Nickel Dragout 0,13 T-9
Tin Dragout 0,13 T-9
Cuadro B.12 Volumen que le ingresa a los tanques de almacenamiento V-101 o V-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Tanque Volumen (m3)
T-8 0,374 T-9 0,408
Cuadro B.13 Área transversal del tanque neutralizador y tanque de floculación, número de Reynolds del agua presente en cada uno de estos tanques. Tanque Área Transversal Reynolds
Tanques Neutralizadores 0,87 591820 Tanque de floculación 0,87 294293,3
Cuadro B.14 Porcentaje de remoción de cobre y níquel obtenidos en el estudio efectuado por Jacipt Ramón Valencia.
Parámetro Concentración inicial
(mg/L)
Concentración final
(mg/L) % Remoción
Cobre 474,54 68,64 85,54 Níquel 4,354 0 100,00
101
Cuadro B.15 Concentración final de cobre y níquel que se obtendría en el tratamiento propuesto utilizando como referencia los porcentajes de remoción que obtuvo Jacipt Ramón Valencia.
Parámetro Concentración inicial
(mg/L)
Concentración final
(mg/L) % Remoción
Cobre 13,91 2,0120167 85,54 Níquel 22,64 0 100,00
102
C. Muestra de cálculo
C.1 Determinación del área de un tanque
El área de un tanque se calcula por medio de la siguiente ecuación:
(C.1)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.1, fila 3, columna 2 y 3; se tiene que:
(
)
C.2 Determinación del volumen de un tanque
El volumen de un tanque se calcula por medio de la siguiente ecuación:
(C.2)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.1, fila 3, columna 2 y 3; se tiene que:
C.3 Determinación del volumen requerido de cada corriente para generar una
muestra representativa del agua de entrada de V-111
El volumen requerido de cada corriente se calcula dividiendo su caudal por el caudal total y
el producto se multiplica por el volumen de muestra requerido.
103
(C.3)
Para una muestra de 2000 mL y sustituyendo los datos del Cuadro A.2, fila 2, columna 2;
se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.1, fila 2 y columna 2. Se calcula de la misma
manera para la corriente proveniente de V-101, V-102 y V-110.
C.4 Determinación de los Sólidos Suspendidos Totales del agua residual
Los Sólidos Suspendidos Totales se calculan al restar a la masa del crisol más la muestra
seca a 104 °C la masa del crisol vacío, y luego dividirlo entre el volumen de muestra
analizado, por medio de la siguiente ecuación:
(C.4)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.3, fila 2, columnas 2, 3 y 4, los cuales corresponden a
la toma 1 del diagrama del proceso; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.2 fila 2, columna 2. Se realiza el mismo
procedimiento para el cálculo de los sólidos suspendidos de las demás tomas.
104
C.5 Determinación de los Sólidos Disueltos del agua residual
Los Sólidos Disueltos se calculan al restar a la masa de la cápsula más la muestra seca la
masa de la cápsula vacía, y luego dividirlo entre el volumen de muestra analizado, por
medio de la siguiente ecuación:
(C.5)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.4, fila 2, columnas 2, 3 y 4; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.3, fila 2, columna 2.
C.6 Determinación de la concentración total de sólidos disueltos que ingresa al tanque
de concentración (V-113)
La determinación de la totalidad de sólidos disueltos en el afluente del tanque de
concentración se calcula sumando todas las corrientes que ingresan al mismo, por medio de
la siguiente ecuación:
∑ (C.6)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.4, fila 4 y columnas 2, 3 y 4.
105
Se realiza el mismo procedimiento para el cálculo de la totalidad de sólidos suspendidos,
sólidos sedimentables, y para la concentración de los metales que ingresan al tanque de
concentración por medio de las distintas corrientes. Se utiliza esta ecuación para calcular la
concentración total de cada uno de los parámetros en el afluente del sedimentador.
El cálculo de la totalidad de sólidos disueltos y demás parámetros en el efluente del tanque
de concentración y del sedimentador se realiza con esta ecuación (en lugar de sumar las
corrientes de entrada, se suman las de salida). Esta ecuación proviene de la ecuación del
balance de masa, lo único que se realizó fue calcular de manera individual las entradas y
las salidas.
C.7 Determinación del porcentaje de remoción de los parámetros en los distintos
equipos que componen la planta de tratamiento
El porcentaje de remoción de cada uno de los parámetros se calcula al restar a su valor de
entrada el valor de salida, y luego dividirlo entre el valor de entrada del parámetro en
estudio, por medio de la siguiente ecuación:
(C.7)
Sustituyendo los datos del Cuadro 6.3, fila 3, columnas 2 y 3, los cuales corresponden a los
sólidos disueltos para el sistema de ósmosis inversa; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.6, fila 3, columna 4. Se realiza el mismo
procedimiento para el cálculo del porcentaje de remoción de los sólidos suspendidos,
sólidos sedimentables, y para concentración de los metales.
106
C.8 Determinación del caudal del afluente del tanque V-105
El caudal se obtiene al dividir el volumen recolectado entre el tiempo de recolección de
dicho volumen, por medio de la siguiente ecuación:
(C.8)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.9, fila 2, columnas 2 y 3; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.8, fila 2, columna 2.
C.9 Determinación del caudal promedio del afluente del tanque V-105
El caudal promedio se obtiene al sumar todos los datos de caudales recabados determinados
y dividirlos entre la cantidad de muestras o datos, por medio de la siguiente ecuación:
∑
(C.9)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.9, filas 2, 3 4 y 5, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.10, filas 2, columna 2.
107
C.10 Determinación del volumen de las cubas de las líneas de producción cuya agua
posterior al mantenimiento de la línea es enviada al tanque de almacenamiento V-101
y V-102
El volumen de cada una de las cubas se determina al multiplicar el ancho, la profundidad y
el largo de la misma, mediante la siguiente ecuación:
(C.10)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.10, fila 2, columnas 2, 3 y 4; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.11, fila 2, columna 2.
C.11 Determinación del volumen de agua que le ingresa a V-101
El volumen que le ingresa al tanque de almacenamiento T-8 corresponde al 85% del
volumen de cada una de las cubas de “cleaner bath”, y se determina mediante la siguiente
ecuación:
∑ (C.11)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.11, fila 2, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.12, fila 2, columna 2.
108
C.12 Determinación del volumen de agua que le ingresa a V-102
El volumen que le ingresa al tanque de almacenamiento T-9 corresponde al 85% del
volumen de cada una de las cubas de “Acid Activator”, Nickel Dragout, y Tin Dragout y se
determina mediante la siguiente ecuación:
∑ ∑( ) ∑ (C.12)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.11, fila 3, 4 y 5, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.12, fila 3, columna 2.
C.13 Determinación del diámetro y altura de los tanques
Para determinar el diámetro y la altura de los tanques de almacenamiento se toma en cuenta
el agua generada en un turno de trabajo en el caso de las aguas de enjuagues; o bien, el
volumen generado por los baños agotados por semana en el caso de los baños ácidos y
básicos.
En el caso del tanque de floculación, los tanques neutralizadores y sedimentador se toma en
cuenta el volumen que le ingresa durante el tratamiento.
C.13.1 Cálculo del diámetro de los tanques
Para calcular el diámetro del tanque de almacenamiento para las aguas ácidas se utiliza la
siguiente ecuación:
109
(C.13)
Suponiendo la siguiente relación matemática entre el diámetro y la altura del tanque:
(C.14)
Empleando las ecuaciones C.13 y C.14, y sustituyendo el dato del Cuadro B.11, fila3,
columna 2, se obtiene:
(
)
El volumen utilizado es el generado semanalmente, representa los 4 mantenimientos.
El resultado se muestra en el Cuadro 7.2, fila 2, columna 3.
C.13.2 Cálculo de la altura de los tanques
Para calcular la altura del tanque de almacenamiento de las aguas ácidas se utiliza la
ecuación C.14, y aplicando un 20 % de seguridad:
(C.15)
Sustituyendo los datos del Cuadro 7.2, fila 2, columna 3, se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 7.2, fila 2, columna 4.
Todas las alturas de los tanques dimensionados se determinan de esta manera.
110
C.14 Determinación del volumen del tanque neutralizador
Para determinar el volumen de los tanques neutralizadores, se recurre a la siguiente
ecuación:
(C.16)
Utilizando el caudal de entrada y el tiempo de retención, 0,091 m3/min y 10 min
respectivamente; se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 7.4, fila 2, columna 1.
El volumen del tanque de floculación y del sedimentador se determina con la ecuación
C.16.
C.15 Determinación de la velocidad y la potencia del sistema de agitación
C.15.1 Determinación del área de sección transversal del tanque de agitación
El área de sección transversal del tanque neutralizador se calcula mediante la siguiente
ecuación:
(C.17)
Sustituyendo los datos del Cuadro 7.4, fila 2, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.13, fila 2, columna 2.
111
C.15.2 Determinación de la velocidad de agitación del impulsor
La velocidad de agitación del agitador se determina en un proceso iterativo entre el número
de bombeo y el número de Reynolds, los cuales se calculan con la ecuación C.18 y C.19
respectivamente;
(C.18)
(C.19)
La velocidad de bombeo ( ) se selecciona de acuerdo a las necesidades en el proceso, en el
caso de los tanques neutralizadores se toma una velocidad de bombeo de 0,183 m/s,
mientras que para el tanque de floculación se toma una velocidad de 0,091 m/s.
La relación entre el número de bombeo y el número de Reynolds se muestra en la Figura
C.1 para distintas razones entre el diámetro del tanque y el impulsor. El número de bombeo
( ) es de 0,75 suponiendo un régimen turbulento, una relación entre el diámetro del
tanque y el diámetro de la turbina de 0,35.
Figura C.1 Número de Bombeo en función al número de Reynolds con parámetro ⁄ .
Fuente: Modificado de (Paul, Atiemo-Obeng, & Kresta, 2004)
112
Los cálculos se realizarán para el tanque neutralizador.
Sustituyendo los datos del Cuadro B.13, fila 2, columna 2 y del Cuadro 7.6, fila 2, columna
2; se obtiene la velocidad de agitación:
El resultado se muestra en el Cuadro 5.7, fila 2, columna 2.
Sustituyendo los datos, con el valor de la velocidad de agitación obtenida y la Ecuación
C.19 se determina el número de Reynolds; para su cálculo se toman las propiedades físicas
del agua a 25 °C.
El resultado se muestra en el Cuadro B.13, fila 2, columna 3.
C.15.3 Determinación de la potencia
Para calcular la potencia entregada al agua se utiliza la siguiente ecuación:
(C.20)
El número de potencia se obtiene a partir de la Figura C.2.
113
Figura C.2 Número de potencia en función al número de Reynolds de acuerdo con el tipo
de impulsor utilizado.
Sustituyendo los datos correspondientes, se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 5.7, fila 2, columna 1.
114
D. Métodos de análisis
D.1 Determinación de Sólidos Sedimentables
1. Colocar el cono inhoff en su base, y luego llenarlo hasta la marca de 1 litro con
muestra bien mezclada.
2. Dejar sedimentar durante 45 minutos, y a continuación remover suavemente las
paredes del cono con un agitador de vidrio, y posteriormente dejar sedimentando
cerca de 15 minutos más.
3. Registrar el volumen de los sólidos sedimentables del cono como mg/L.
D.2 Determinación de Sólidos Suspendidos Totales
1. Ensamblar el equipo de filtración, y el filtro previamente tarado; una vez realizado
se inicia la succión.
2. Humedecer el filtro con una pequeña porción de agua destilada para asegurar su
adhesión al crisol.
3. Agitar la muestra con un agitador magnético a velocidad suficiente para obtener un
mezcla homogenizada.
4. Pipetear una muestra de un volumen conocido y colocarla en el filtro.
5. Lavar el filtro con tres volúmenes sucesivos de agua destilada de 10 mL cada uno,
permitiendo el secado total entre lavados; y continuar la succión cerca de 3 minutos
para que se complete la filtración.
6. Remover el crisol con cuidado, y secarlo por al menos 30 minutos en el horno a
103-105 °C, luego dejarlos enfriar en un desecador hasta equilibrar la temperatura.
7. Pesar el crisol con el filtro. Repetir el proceso de secado, enfriado, desecado y
pesado hasta que la variación sea de un 4% del peso previo o de 0,5 mg entre
pesadas sucesivas.
115
D.3 Determinación de Sólidos Disueltos
1. Ensamblar el equipo de filtración, y el filtro previamente tarado; una vez realizado
se inicia la succión.
2. Humedecer el filtro con una pequeña porción de agua destilada para asegurar su
adhesión al crisol.
3. Agitar la muestra con un agitador magnético a velocidad suficiente para obtener un
mezcla homogenizada.
4. Pipetear una muestra de un volumen conocido y colocarla en el filtro.
5. Lavar el filtro con tres volúmenes sucesivos de agua destilada de 10 Ml cada uno, permitiendo el secado total entre lavados; y continuar la succión cerca de 3 minutos para que se complete la filtración.
6. Transferir el filtrado a una cápsula de porcelana previamente tarada, y evaporar en un horno a 103-105 °C hasta que se seque.
7. Colocar la cápsula durante 1 hora en el horno a 180 ±2°C. 8. Dejar enfriar la cápsula en un desecador hasta equilibrar temperatura. 9. Pesar la cápsula. Repetir el proceso de secado, enfriado, desecado y pesado hasta
que la variación sea de un 4% del peso previo o de 0,5 mg entre pesadas sucesivas.
116
ANEXOS
117
Minimización de residuos
La industria de galvanoplastia presenta ciertas dificultades con el consumo del agua, ya que
sólo en los enjuagues se utiliza el 95% de toda el agua del proceso de recubrimiento,
generando que este recurso sea uno de sus más preciados bienes y materia prima. (Centro
Nacional de Producción Más Limpia y Tecnologías Ambientales)
Por tanto, antes de realizar un cambio o modificación a la planta de tratamiento de aguas
residuales, sería importante buscar como disminuir los residuos, esto llevando a cabo un
estudio en las líneas de producción con el objeto de ejecutar medidas para evitar o
minimizar los residuos generados, debido a que “…a veces, el aspecto más importante de la
conservación del agua es el control de la contaminación mediante simples buenas prácticas
de comportamiento y algunas inversiones, logrando alcanzar ahorros desde el 15 hasta el
30%” (Centro Nacional de Producción Más Limpia y Tecnologías Ambientales, pág. 12)
Dentro de algunas medidas que pueden ser tomadas en cuenta están:
Sustituir los químicos de los baños
Una medida de este tipo, para reducir la generación de los residuos peligrosos, consiste en
cambiar los baños alcalinos con cianuro por baños sin cianuro. Estos baños pueden ser
bases ácidas o neutros dependiendo del metal.
Al sustituir baños de galvanizado cianurados y baños de cromo VI, se ahorran los costos de
la desintoxicación de las aguas de enjuague y residuales. Aunado a esto el riesgo para los
trabajadores se reduce en ambos casos. Sin embargo, la eficiencia de los baños sustitutos no
es la misma para todos los metales, de modo que antes de un eventual cambio debe
realizarse un análisis de viabilidad del nuevo método. Cada empresa deberá evaluar si es
factible el cambio de los baños tanto técnicamente como económicamente, esto último
considerando los costos de inversión y operación, así como la reducción en los costos de
tratamiento y disposición final.
118
Racionalizar los sistemas de enjuague
En cuanto a la clase de enjuague puede no ser necesario modificarla debido a que en la
empresa se utiliza lavado por aspersión, siendo este el tipo de enjuague más eficiente.
Según Ribera y Bosch, “este tipo de enjuague es muy eficaz y se comporta como una
sucesión de enjuagues en cascada ya que da lugar a un elevado rendimiento con muy poco
consumo de agua” (2006, pág. 69).
Los lavados por aspersión utilizan entre el 10 y 25% de la cantidad de agua que se requiere
utilizar en un enjuague simple corriente. Lo único que se recomienda a la empresa es que
revisen la disposición de las boquillas, la presión del agua, el caudal, el tiempo de aspersión
y el diseño mecánico de las boquillas, ya que estos “… factores tienen una marcada
influencia sobre la eficacia del enjuague” (Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006, pág. 69).
Si la empresa desea cambiar la manera en que se realizan los enjuagues, se le recomienda
los lavados en cascada.
Lavados en cascada
Este consiste en conectar varias etapas de lavado en serie. El caudal de agua fluye en
contracorriente respecto a las piezas, de tal manera que se reutiliza repetidamente el agua
(Figura A.1). Es decir, el agua de lavado limpia ingresa en la última etapa de lavado, la cual
determina la eficacia de enjuague; la salida del agua de lavado se lleva a cabo en la primera
etapa tras el baño. (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental, 1997)
“El lavado de cascada, frente a los procesos de lavado, simples o de una etapa, permite
reducir el caudal necesario de agua de lavado en función del número de etapa de lavado
.” (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental, 1997)
119
Figura A.1 Enjuague en cascada y contracorriente
Fuente: (Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006)
El valor de puede calcularse a partir del volumen de solución arrastrada y del criterio
de lavado necesario en base a ala siguiente ecuación:
√
La figura A.2 muestra la variación de la razón de dilución ( ) en función de la relación de
los litros de agua de alimentación por litro de arrastre ( ).
Figura A.2 Grafica de relación de dilución en función de la relación
120
Otra operación
La siguiente operación pueden ser remplazo de las actuales, o bien, pueden ser aplicadas
simultáneamente con las operaciones ya existentes en el tratamiento de las aguas residuales.
Electrodiálisis
La electrodiálisis es una tecnología de membranas que permite la separación de los iones
contenidos en una disolución. Esta separación se obtiene mediante la utilización de
membranas selectivas de tipo iónico, aplicando entre ellas una diferencia de potencial
(Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006).
Sus aplicaciones son las mismas que en el caso de la ósmosis inversa, es decir,
recuperación de materias primas y reciclaje de agua en un sistema de enjuagues, y reciclaje
de las aguas procedentes de un tratamiento fisicoquímico convencional (Ribera Ferrando &
Bosch Mossi, 2006). Por ello, la electrodiálisis puede ser una opción de operación que
sustituya la ósmosis inversa, si así lo quisiera la empresa.