Coagulación, floculación y separación

Las partículas disueltas y suspendidas están presentes en la mayoría de las aguas naturales. Estos surgen principalmente de la erosión de la tierra, la disolución de minerales y la descomposición de la vegetación, así como de algunos vertidos de desechos domésticos e industriales. Tal material puede incluir materia orgánica y/o inorgánica suspendida, disuelta, así como varios organismos biológicos, tales como bacterias, algas o virus. Este material debe eliminarse, ya que causa un deterioro de la calidad del agua al reducir la claridad (por ejemplo, causar turbidez o color) y, eventualmente, transportar organismos patógenos o compuestos tóxicos, adsorbidos en sus superficies (TZOUPANOS y ZOUBOULIS 2008).

Para separar las partículas disueltas y suspendidas del agua se utilizan procesos de coagulación y floculación. Estos son relativamente sencillos y rentables, siempre que haya sustancias químicas disponibles y que la dosificación se adapte a la composición del agua. Independientemente de la naturaleza del agua tratada y del sistema integral de tratamiento aplicado, generalmente se incluye el proceso de coagulación-floculación como pretratamiento (por ejemplo, antes de la filtración rápida en arena) o como etapa posterior al tratamiento después de la sedimentación (en plantas de tratamiento de aguas centralizadas).

La mayoría de los sólidos suspendidos en agua poseen una carga negativa, por lo que se repelen unos a otros. Este rechazo evita que las partículas se aglomeren, haciendo que permanezcan en suspensión. La coagulación y la floculación ocurren en pasos sucesivos destinados a superar las fuerzas que estabilizan las partículas suspendidas, permitiendo la colisión entre ellas y el crecimiento de masas ó flóculos, que luego pueden separarse o eliminarse del agua por medio de la sedimentación o la filtración.

En el tratamiento del agua, la coagulación y la floculación prácticamente siempre se aplican uno detrás del otro, antes de realizar la separación física. El proceso de coagulación-floculación-separación consta de los siguientes pasos:

1. Coagulación-floculación: uso de reactivos químicos para desestabilizar y aumentar el tamaño de las partículas y hacer que se agreguen en flóculos mediante agitación.
2. Una separación física de los sólidos de la fase líquida. Esta separación generalmente se logra por sedimentación (decantación), flotación o filtración.

Los reactivos comunes son: coagulantes minerales y/u orgánicos (típicamente sal de hierro y aluminio, polímeros orgánicos), aditivos de floculación (sílice activada, talco, carbón activado), floculantes aniónicos o catiónicos y reactivos de control del pH como ácidos o bases. Ciertos agentes quelantes (secuestradores) de metales pesados ​​también pueden agregarse durante el paso de la coagulación (adaptación de SNF FLOERGER 2003).

La coagulación desestabiliza las cargas de las partículas. Los coagulantes con cargas opuestas a las de los sólidos en suspensión se agregan al agua para neutralizar las cargas negativas sobre sólidos dispersos ​​no decantables tales como arcilla y sustancias orgánicas. Una vez que la carga se neutraliza, las partículas suspendidas pequeñas son capaces de pegarse unas a otras. Las partículas, un poco mayores, formadas a través de este proceso se llaman microflóculos y resultan ser demasiado pequeñas para ser visibles a simple vista. Se necesita una mezcla o agitación rápida, de alta energía, para dispersar adecuadamente el coagulante y promover las colisiones de partículas, consiguiendo una buena coagulación y formación de los microflóculos. El exceso de mezcla no afecta la coagulación, pero de ser insuficiente dejará este paso incompleto. El tiempo de contacto adecuado en la cámara de mezcla rápida es típicamente de 1 a 3 minutos (adaptado de MRWA 2009).

El paso siguiente a la coagulación es la floculación, etapa donde se realiza una mezcla suave, que aumenta el tamaño de las partículas de microflóculos submicroscópicos a partículas suspendidas visibles. Estos microflóculos se ponen en contacto entre sí mediante el proceso de mezcla lenta. El choque de las partículas de microflóculos hace que se unan para producir flóculos más grandes y visibles. El tamaño del flóculo continúa creciendo a través de choques o colisiones adicionales y la interacción con polímeros inorgánicos formados por el coagulante o polímeros orgánicos añadidos, formando así los llamados macroflóculos. Se pueden agregar polímeros de alto peso molecular, llamados floculantes, durante este paso para ayudar no sólo a unir y fortalecer el flóculo, sino también para aumentar el peso y la velocidad de sedimentación. Una vez que el flóculo ha alcanzado su tamaño y resistencia óptimos, el agua está lista para el proceso de separación (sedimentación, flotación o filtración). Los tiempos de contacto de diseño para la floculación varían de 15 o 20 minutos a una hora o más (adaptado de MRWA 2009).

La coagulación-floculación es un método de pretratamiento convencional (típicamente en combinación con sedimentación y filtración rápida en arena) utilizado para separar los compuestos suspendidos y disueltos (turbidez) del agua, en las plantas de tratamiento de agua potable (semi) centralizadas. Dentro de estos compuestos separados están minerales suspendidos, orgánicos, patógenos, iones metálicos, fosfatos, fluoruros y radionucleidos. La concentración de reactivos químicos (floculantes y coagulantes) debe ajustarse adecuadamente a la composición exacta del agua. La operación de coaguladores, floculadores y clarificadores requiere operadores capacitados. El trabajo de mantenimiento debe realizarse regularmente para garantizar un tratamiento eficiente.

Esta tecnología solo es apropiada en comunidades de aproximadamente 2500 habitantes con capacidades y recursos y una disposición óptima de agua que garantice su correcto funcionamiento.

La presencia de partículas suspendidas y disueltas, orgánicas e inorgánicas, en el agua se puede medir a través del parámetro denominado turbidez del agua. El nivel de esta en el agua potable es importante, no sólo por razones estéticas ya que un valor alto puede ocasionar el rechazo inmediato de su uso por parte del consumidor, sino también por razones desinfectantes, debido a que funciona como un indicador de presencia de materia orgánica y microorganismos que requieren ser tratados por un proceso de desinfección (por ejemplo, cloro). La eliminación de la turbidez se realiza mediante el proceso de coagulación-floculación-separación en las plantas potabilizadoras, llevando el agua a valores inferiores a 5 UNT (unidades nefelométricas de turbidez), límite máximo establecido para el agua potable en la Norma  Oficial Mexicana NOM 127-SSA1-1994 (SÁNCHEZ DEL CASTILLO 2016).

Igualmente, el proceso de coagulación-floculación-separación se usa para tratar el agua en las plantas potabilizadoras cuando las características físicas-organolépticas y los constituyentes químicos del agua, sobrepasan los límites permitidos que se visualizan en la siguiente tabla:

La operación de coaguladores, floculadores y clarificadores requiere operadores capacitados. El trabajo de mantenimiento debe realizarse regularmente. Los aspectos clave de operación y mantenimiento de coaguladores, floculadores y clarificadores son:

• Inventario químico: debe haber un buen inventario, al menos suficiente como para un mes de operación.
• Control de dosificación: la dosificación correcta de sustancias químicas coagulantes es muy importante para la eliminación eficiente y efectiva de los sólidos suspendidos. Por este motivo, se deben realizar regularmente muestras de agua sin tratar para ser analizadas con una gama de concentraciones de coagulantes (prueba de jarras) y, así, determinar la tasa de dosis óptima de coagulante.
• La mezcla rápida del agua y los productos químicos coagulantes en el punto donde estos últimos se agregan es esencial.
• La floculación debe lograrse a través de una mezcla o agitación suave para maximizar el número de colisiones entre las partículas suspendidas y los flóculos, sin romperlos o disolverlos mediante una mezcla rápida.
• Diseño de la planta: el floculador y los clarificadores deben ubicarse uno cerca del otro y el agua debe fluir lentamente entre ellos para no romper los flóculos.

Durante el curso del tratamiento de coagulación-floculación, se genera una cantidad sustancial de lodo procedente del proceso de sedimentación. Este lodo puede reutilizarse como fertilizante para la agricultura cuando no hay compuestos tóxicos. En presencia de lodo tóxico, los desechos sólidos deben tratarse o eliminarse de manera ambientalmente adecuada (adaptado de WHO 1996).