• Regeneración en contracorriente: los fenómenos son diferentes cuando se inyectan reactivos de regeneración de abajo arriba; en efecto, en este caso, los iones A' concentrados encuentran primeramente capas de resma poco concentradas de iones B', cuya elución, por lo tanto, tiene lugar en buenas condiciones; además, en las capas superiores saturadas, los iones B' no pueden volver a fijarse.

Fig. 45. - Regeneración en contracornente.

La regeneración se efectúa, por tanto, en condiciones mucho más reversibles que en el caso de inyección en el sentido de la corriente, lo que, termodinámicamente, corresponde a un mejor rendimiento.

Deben subrayarse dos ventajas importantes del principio de la regeneración a contracorriente.

- mejora del rendimiento y, por consiguiente, disminución de los consumos de reactivos, a igualdad de calidad;
- mejora de la calidad del agua tratada, regenerándose las capas de salida con un fuerte exceso de reactivo.

1.3. Separación líquido - líquido

La teoría de la sedimentación se aplica a la separación de las gotas de un líquido no miscible en el agua y considerado libre en este agua. Si el líquido tiene una masa volúmica inferior a la del agua (el aceite, por ejemplo) las gotas se reúnen en la superficie.

En el caso de mezclas aceite-agua, el número de Reynolds es inferior a 0,5 y la velocidad ascensional de las gotas de aceite viene dada por la ley de Stokes.

En el American Petroleum Institute se han calculado separadores por gravedad para la eliminación de todas las gotas de dimensiones superiores a 0,015 cm.

Mediante el empleo de separadores laminares, se consigue una eliminación hasta 0,005 cm.
Las emulsiones aceite-agua constituyen suspensiones estables que deben romperse por procedimientos apropiados (calentamiento, ultrafiltración, coalescencia, acidificación, etc.).

1.4. Acciones químicas

Mediante la introducción, en una solución acuosa, de productos químicos bien elegidos, pueden reducirse los efectos de la presencia (o de la ausencia) de ciertas sales disueltas. Se tiene as la posibilidad, por ejemplo, de suprimir parcial o totalmente la alcalinidad, de corregir el pH, cambiar el grado de oxidación de ciertos cuerpos disueltos...

Se indican, a continuación, los principales métodos.

1.4.1. PRECIPITACIÓN

Los métodos de depuración química son aplicaciones de la ley de Berthollet, que se basan en el principio siguiente:

Añadir al agua un reactivo soluble que, por permutación o combinación con los iones indeseables contenidos en el agua bruta, provoque la precipitación del producto de esta combinación, hasta su límite de solubilidad.

Los ejemplos más conocidos son:

· Descarbonatación con cal: por reacción entre los iones OH^- de la cal y los iones HCO3^- de los bicarbonatos, se obtiene la precipitación casi total del carbonato cálcico formado:

HCO3^- + OH^- -> CO3^2- + H2O
Ca²⁺ + CO3^2- -> CaCO3

relaciones que se escriben globalmente:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + 2 H2O

· Desendurecimiento de aguas selenitosas con carbonato sódico, como consecuencia de la reacción:

CaSO₄ + Na₂CO₃ -> Na₂SO₄ + CaCO₃

· Eliminación de sulfatos con sales de bario:

CaSO₄ + BaCl₂ -> CaCl₂ + BaSO₄
Na₂SO₄ + BaCl₂ -> 2 NaCl + BaSO₄

· Eliminación de fluoruros con sales de calcio:

2 F^- + Ca²⁺ -> CaF₂

- Eliminación de fosfatos en estado de fosfato de hierro o de aluminio. Por ejemplo:

PO₄³⁺ + Fe³⁺ -> FePO₄

· El contenido de sílice de un agua natural puede reducirse sometiéndola a un precipitado complejo de aluminato de hierro o de magnesia hidratada, pero, en este caso, parece tratarse más bien de una adsorción de la sílice que de una combinación química bien definida.

Para cada una de estas reacciones, es indispensable que se conozca con precisión:

-La cinética de la reacción. Frecuentemente es necesario que la reacción se efectúe en presencia de gérmenes ya formados en reacciones anteriores, con una concentración y durante un tiempo suficientes.
- La solubilidad límite del producto formado, en las condiciones de concentración de los diversos iones presentes y de temperatura.
- La velocidad probable de sedimentación de los precipitados obtenidos (con o sin utilización de floculantes).

1.4.2. NEUTRALIZACIÓN
Este término se refiere a todos los tratamientos destinados a llevar al agua a un pH próximo a la neutralidad, o bien a un pH próximo al pH de equilibrio (ver página 27: equilibrio cal-carbónico), puesto que, inicialmente, el agua puede ser ácida o alcalina.

· Aguas ácidas
Se trata normalmente de neutralizar una acidez carbónica mediante una base o un carbonato alcalino. Tal es el caso de las aguas de origen granítico, cuyo contenido en dióxido de carbono es demasiado elevado con relación a su riqueza en bicarbonatos alcalinotérreos (hidrogenocarbonato); también es el caso de las aguas que se obtienen después de clarificación con un coagulante (página 61: Coagulación-floculación). En esta técnica interviene una de las siguientes reacciones:

2 CO₂ + Ca(OH)₂ -> Ca(HCO₃)₂
CO₂ + NaOH -> NaHCO₃
CO₂ + Na₂CO₃ + H₂O -> 2 NaHCO₃
CO₂ + CaCO₃ + H₂O -> Ca(HCO₃)₂

Si se trata de una acidez fuerte (ajuste del pH de floculación, neutralización de un efluente de regeneración de intercambio iónico, de fangos de decapado, etc.), las reacciones son del tipo:

HCl + NaOH -> NaCl + H₂O
2 HCl + Ca(OH)₂ -> CaCl₂ + 2 H₂O

(regeneración de un intercambiador de iones con ácido clorhídrico, decapado clorhídrico).

H₂SO₄ + 2 Na(OH) -> Na₂SO₄ + 2 H₂O
H₂SO₄ + Ca(OH)₂ -> CaSO₄ + 2 H₂O

(regeneración de un intercambiador de iones con ácido sulfúrico, decapado sulfúrico, etc.).

· Aguas alcalinas.
Es el caso, por ejemplo, de aguas que, debido a su origen, presentan un déficit de dióxido de carbono. También pueden clasificarse dentro de esta categoría los efluentes de la regeneración de resinas.

Según el empleo al que se destine el agua, se utiliza:

-CO₂:

Ca(OH)₂ + 2 CO₂ -> Ca(HCO₃)₂

tratamiento que se emplea especialmente en la recarbonatación de aguas de abastecimiento, o bien

-un ácido fuerte:

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ -> CaSO₄ + 2 H₂O
2 NaOH + H₂SO₄ -> Na₂SO₄ + 2 H₂O

Este tratamiento rara vez se emplea para aguas de consumo, reservándose casi exclusivamente para los vertidos industriales.

1.4.3. OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN
Estas reacciones se utilizan para modificar el estado de ciertos metales o compuestos (nitrogenados, sulfurados, cianuros, etc.), con objeto de hacerlos insolubles o no tóxicos.

Algunos cuerpos se presentan en forma oxidada o reducida, y pasan de una a otra por incremento de electrones (reducción) o pérdida de electrones (oxidación). A un sistema formado por un receptor y un donante de electrones, entre los cuales puede efectuarse una transferencia de electrones de forma que uno de los cuerpos se oxide, en tanto que el otro se reduzca, se le conoce con el nombre de sistema oxidante-reductor.

Red <==> Oxid.ⁿ⁺ + ne^-

Hay que señalar que, con excepción del oxígeno y del hidrógeno, que sólo pueden ser, respectivamente, oxidante y reductor, no existen cuerpos que sean oxidantes o reductores de forma absoluta.

Esta posibilidad de interacción se determina por medición eléctrica, como se indica en la página 578, y se caracteriza por la noción de potencial de oxidación-reducción o potencial redox ¹, función de la actividad de las dos formas oxidada y reducida, según la fórmula:

E=Eo + (K/n) log (|forma oxidada| / |forma reducida|)

siendo n el número de electrones que intervienen en la reacción de oxidación-reducción, y Eo el potencial denominado normal correspondiente al equilibrio |forma oxidada| = |forma reducida|.

Comparando los potenciales Eo, puede establecerse una clasificación de los diferentes cuerpos:

Un cuerpo A, cuyo potencial normal sea mayor que el de un cuerpo B, oxidará a este último. El cuerpo B es reductor del cuerpo A.

---

1. No debe confundirse el potencal de oxideción-reducción, o potencal redox, con el «rH» (ver página 876).

---

Se exponen a continuación algunos valores del potencial normal Eo, a 25 ºC, para ciertos cuerpos que se presentan frecuentemente en el tratamiento de agua, siendo el potencial cero el de un electrodo de hidrógeno:

En efecto, el paso de un elemento de una forma a otra se realiza, generalmente, por utilización de otro cuerpo que a su vez presenta las dos formas, según la fórmula:

aOx₁ + bRed₂ <==> aRed₁ + bOx₂

Por lo tanto, existe una mezcla de los dos sistemas oxidante-reductores. El punto de equivalencia puede alcanzarse mediante la mezcla de cantidades equivalentes del oxidante de uno de los pares y del reductor de otro par a |Ox₁| = b|Red₂|. El potencial E del sistema se define entonces por:

E=(bE₁ + aE₂)/(a + b)

que se caracteriza, en una curva de medida (potencial función de la concentración de oxidante) por el punto de inflexión.

Las aplicaciones más frecuentes son la eliminación de hierro y manganeso, en la producción de aguas de consumo o industriales, y la eliminación de tóxicos de los vertidos de tratamiento de superficies que contienen cianuros o cromatos (ver capítulo 25).

Tal como se verá en el párrafo 2.5, página 106, ciertas reacciones de oxidación-reducción pueden producirse por medio de bacterias.

2. FENÓMENOS BIOLÓGICOS
Los fenómenos biológicos tienen un interés sumamente general. Se estudiarán aquí, especialmente bajo el aspecto del tratamiento de aguas residuales contaminadas por materias orgánicas En estos tratamientos se producen fermentaciones, es decir reacciones químicas causadas por ciertos microorganismos, entre los cuales las bacterias desempeñan un papel importante.

Las bacterias actúan sobre la contaminación, la cual hace de alimento o substrato. El conjunto de las reacciones químicas se cataliza por las enzimas segregadas por las bacterias, las cuales, por otra parte, les sirven de soporte. La evolución del fenómeno podrá caracterizarse siguiendo la evolución del cultivo bacteriano depurador.

2.1. Crecimiento de un cultivo bacteriano
El crecimiento de un cultivo bacteriano comprende cierto número de fases, cada una de las cuales posee una velocidad diferente (figura 46).

Fig. 46.- Curva de crecimiento de un cultivo bacteriano

1. Fase latente, durante la cual se produce la aclimatación de los microorganismos al medio nutritivo, por modificación del sistema enzimático del cultivo. Esta fase es especialmente importante cuando no se produce una siembra previa del agua residual (vertidos industriales) por gérmenes adaptados.
2. Una fase a velocidad constante de crecimiento, generalmente denominada fase exponencial.
3. Una fase de moderación de la velocidad de crecimiento.
4. Una fase con velocidad de crecimiento nula.
5. Una fase de decrecimiento.

Monod ha sido uno de los primeros en expresar, bajo una fórmula matemática, el crecimiento de un organismo unicelular:

dS/dt = f(L, S)

siendo:

S masa celular por unidad de volumen, y
L la concentración del substrato (alimento).

• Fase exponencial: Cuando los alimentos se encuentran en concentración suficiente y nada se opone al crecimiento, el cultivo crece a una velocidad constante y la ecuación anterior se transforma en:

dS/dt = µS

La velocidad de crecimiento µ se relaciona fácilmente con el tiempo de división celular, denominado también tiempo de duplicación de la biomasa td.

µ = (1/S)(dS/dt) = (d ln S/dt)= 0,693/td
siendo 0,693 el valor de ln 2.

Si se admite que una fracción constante de alimento se convierte en células vivas al cabo de un tiempo Dt, el incremento de microorganismos será de:

DS = amLe.

am se expresa en mg de células producidas por mg de substrato eliminado (Le) durante el tiempo considerado.

ln (S/So) = ln ((So + DS)/So) = ln ((So + amLe)/So) = ln(1+ amLe/So) = µt

So es la concentración celular correspondiente a un tiempo t = 0.

La relación entre ln (1+ amLe/So) y el tiempo t se representa por una recta cuya pendiente define µ que es la velocidad de crecimiento exponencial.

• Disminución y detención del crecimiento: Cuando las circunstancias son desfavorables, disminuye la velocidad de crecimiento. Las causas que provocan la disminución o la parada del crecimiento son debidas a la disminución de la concentración en alimentos, a una acumulación de vertidos tóxicos o a una modificación física del medio.

En el caso de que el crecimiento quede limitado por un empobrecimiento del medio en alimentos, la ecuación básica toma la forma dS/dt = k₁ LS
Si se toma k2 = k₁/am, se tiene la fórmula:

Lf/Lo = 1 / (1+k2St)

siendo Lf la concentración en alimento en el tiempo t, y Lo la concentración inicial.

• Fase decreciente: durante este período, los microorganismos no se alimentan, y una parte de ellos desaparece. La velocidad de desaparición es proporcional a la concentración en microorganismos S:

dS/dt = - bS

b es el grado de mortalidad.

Las diversas fases, y sus ecuaciones, son válidas en medio aerobio o anaerobio. Los coeficientes µ, k2, am y b dependen de la naturaleza de los microorganismos, de la naturaleza de sus alimentos y de la temperatura.

2.2. Valoración de la contaminación orgánica

Dada la diversidad de materias orgánicas contenidas en los vertidos, el conocimiento de la naturaleza de cada una de ellas sería costoso y totalmente inútil para el proceso de depuración biológica.

La materia orgánica o volátil, contenida en un fango, se determina globalmente después de calcinación en un horno a 600 ºC.

En un agua residual, el químico sabe que la oxidación total de la glucosa, por ejemplo, responde a la reacción:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 CO₂ + 6 H₂O + 155 J (+ 650 cal)

Es decir, que para 180 g/mol (masa molar) de glucosa, será preciso suministrar 6 x 32 = 192 glmol de oxígeno, y se obtendrán 264 glmol de CO₂ y 108 g/mol de agua. De aquí se deducen dos posibilidades para seguir la evolución de esta reacción:

- valorar la cantidad de oxigeno consumido,
- valorar la cantidad de gas carbónico obtenido.

La primera posibilidad es la utilizada principalmente, empleando:

- un oxidante químico cuyo consumo pueda determinarse;
- el oxígeno disuelto en el agua, en presencia de enzimas, agentes catalizadores producidos por los microorganismos.

A. Oxidación química: según la naturaleza del oxidante y la temperatura de la reacción, se obtienen resultados diferentes.

Se utiliza permanganato potásico en frío (4 horas) o en caliente (10 minutos de ebullición) en los análisis de potabilidad de las aguas de abastecimiento. Los valores que se obtienen se denominan oxidabilidad.

El método normalizado para las aguas residuales utiliza dicromato potásico en medio sulfúrico, oxidante muy enérgico, con el que se obtiene la Demanda Química de Oxígeno (DQO). La precisión de la medida es del orden del 5 %. Su duración se fija en dos horas.

El valor de la DQO comprende todo lo que puede tener una demanda de oxígeno, especialmente las sales minerales oxidables (sulfuros, sales de metales de valencia inferior) y la mayor parte de los compuestos orgánicos, biodegradables o no. Los hidrocarburos minerales son resistentes a esta oxidación, lo que puede dar, a veces, resultados erróneos.

B. Oxidación bioquímica: la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) es la cantidad de oxigeno expresada en mg/l y consumida en las condiciones del ensayo (incubación a 20 ºC y en la oscuridad) durante un tiempo dado, para asegurar la oxidación, por vía biológica, de las materias orgánicas biodegradables presentes en el agua.

Para ser completa, la oxidación biológica exige un tiempo de 21 a 28 días. Se obtiene entonces la DBO última, DBO21 o DBO28.

La figura 47 muestra la forma de las curvas de consumo de oxígeno en función del tiempo.

Página anterior                           Página siguiente                                    Índice