TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Profesora: Judith Narváez Terán Máster en Toxicología Industrial y Ambiental

TRATAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS EN ACTIVIDADES MINERO METALÚRGICAS

PRECIPITACIÓN Y NEUTRALIZACIÓN

PROCESOS DE NEUTRALIZACIÓN Industrias minero metalúrgicas utilizan cantidades grandes de ácidos y bases en procesos de limpieza y acabado de productos. Son disoluciones acuosa que contienen: Ácidos: HCl; H2 SO4 H3PO4 H2CO3 Bases: NaOH y NH3 Especies aniónicas: del sistema fosfato (PO43-, HPO42- y H2PO41-) Carbonato CO32- y HCO32- Ión amonio (NH41+).

Neutralización Química: la neutralización de pH =7, de líquidos muy ácidos o muy básicos antes de incorporarlos al medio hídrico es fundamental, por ejemplo aguas ácidas de minas. El ajuste de pH facilita otros tratamientos y operaciones, como el tratamiento biológico de los residuos o los procesos previos a la floculación. Las cantidades de ácidos y bases en los líquidos residuales son muy variadas y la literatura especializada nos indica que son frecuentes los residuos líquidos que contienen ácidos y bases fuertes con valores del orden del 15% en peso, estos líquidos tienen carácter corrosivo y biocidas.  

PARÁMETRO DE CONTROL Y EFECTOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE DEL pH Destrucción de la vida acuática: a pH menor a 4 se destruye la vida de muchos vertebrados e invertebrados así como la mayoría de plantas.   CORROSIÓN. Las aguas con pH menor que 6 y pH mayor que 9 producen graves efectos en tuberías, calderas y en otras instalaciones.

TECNOLOGÍA DE LA NEUTRALIZACIÓN Se puede realizar en tanques resistentes a la corrosión en la que se produzca una agitación intensa (homogenizado) en un tiempo de 5 a 15 minutos. En estanques o en lechos filtrantes, generalmente de piedra caliza. Este consiste en hacer pasar a través de un lecho fijo de carbonato cálcico. INCONVENIENTE: En el caso de que el agua residual contenga ácido sulfúrico en concentraciones que superan el 6%, ya que se deposita en el fondo Sulfato de Calcio, que impide que entre en contacto físicamente.

Agentes neutralizantes acidos Lechada de cal o Hidróxido de Calcio Es muy utilizada por bajo costo. INCONVENIENTES: Baja solubilidad en agua Lenta velocidad de reacción Formación de precipitados en caso que tenga ácido sulfúrico, ya que reaccionaría formando Sulfato de Calcio. Carbonato de Calcio (Calcitas y Dolomitas) muy insoluble baja cinética de reacción Provoca gran cantidad de lodos RECOMENDACIÓN: Sirve para neutralizar flujos residuales muy ácidos

Agentes neutralizantes ácidos Sosa cáustica: Se considera el agente neutralizante más efectivo, para tratar fluidos residuales ácidos. INCONVENIENTES: Elevado costo VENTAJAS: Elevada velocidad de reacción, permite su empleo a grandes concentraciones. No requiere grandes equipos de dosificación.

Agentes neutralizantes alcalinos Acido Sulfúrico: es el reactivo más utilizado para la neutralización de flujos residuales alcalinos VENTAJAS: bajo costo y fácil manipulación. Ácido clorhídrico: Costo elevado Corrosividad alta a cualquier concentración. Posibilidad de formar gases tóxicos.

NEUTRALIZACIÓN: previo a la neutralización, el líquido pasaría por un proceso de sedimentación y de filtración para obtener un líquido homogéneo libre de partículas de todo tipo, obteniéndose como resultado una disolución de un ácido de composición conocida.  La neutralización nos proporciona un líquido de pH entre 7 y 9. El residuo se somete a un control ambiental. Si el control es positivo, el líquido resultante puede seguir diferentes rutas:   1.Conducción del líquido al sistema de saneamiento de agua. 2. Conducción del líquido a otros sistemas de tratamiento. 3. Conservación del líquido para recuperar el agua y reutilizar en el proceso. 4. Recuperación de subproductos, sobre todo algunas especies inorgánicas que abunden en el líquido.

En la mayoría de los casos, las aguas residuales se caracterizan por una elevada salinidad, debido al alto contenido en especies iónicas disueltas como iones sulfato, cloruro, ión sodio, calcio y metales pesados, su gestión posterior es un punto importante a ser considerado. En el caso de aguas ácida de mina, el contenido de ión sulfato es muy elevado, se puede desarrollar proceso de recuperación de este anión para su reutilización.

PRECIPITACIÓN Las reacciones que dan como resultado la formación de un producto insoluble se conoce como reacción de precipitación. Las reacciones de precipitación ocurren cuando pares de iones con cargas opuestas se atraen entre si tan fuerte que forman un sólido iónico insoluble.

COMPUESTOS QUÍMICOS DE PRECIPITACIÓN Estos agentes de precipitación, se utilizan conjuntamente como agentes floculantes que facilitan la precipitación: cloruro ferroso y férrico, sulfato ferroso y férrico, cloruro de aluminio y sulfato de aluminio, polímeros y sulfuros poli orgánicos. La elección de cada uno de estos compuestos químicos, no es arbitraria sino que se basa en los siguientes criterios prácticos, de gran importancia físico química como: 1. Características del líquido residual. 2. El coste y disponibilidad del agente precipitante. 3. La capacidad de regulación del pH. 4. Los costes asociados al manejo del agente precipitante. 5. Cinética del proceso. 6. Los aspectos térmicos del proceso. 7. La posible evolución de gases y sobre todo gases tóxicos.

Fundamento teórico: la formación, por acción de los reactivos apropiados, de compuestos insolubles, de aquellos elementos contaminantes (metales pesados, Sulfatos). Este proceso se centra en la eliminación de metales pesados mediante la formación de hidróxidos, que posteriormente son separados en un decantador. Los metales pesados factibles a ser separados son: Arsénico Cadmio Cromo Cobre Plomo Mercurio Níquel Zinc

El proceso ocurre en dos etapas: 1. Ajuste del pH, para provocar un desplazamiento del equilibrio químico que no favorezca la solubilidad. El pH óptimo para la precipitación de los metales es variable y se encuentra en un rango comprendido entre: 9,5 y 12. Sin embargo habrá que vigilar la presencia en el flujo residual la presencia de agente como: NH4+ , CN- , que puede mantener altas concentraciones de metales pesados en solución. 2. Adición de un agente precipitante los más utilizados son: NaOH, Carbonatos y sulfuros este es el más efectivo, para precipitar metales pesados; sin embargo resulta peligroso de que un exceso provoque el desprendimiento de ácido sulfúrico.

Bases del tratamiento con cal El principio de la neutralización con cal se basa en la insolubilidad de los metales pesados en condiciones alcalinas. A un pH controlado alrededor de 9.5 precipitan metales tales como hierro (Fe), zinc (Zn) y cobre (Cu). Otros metales tales como el níquel (Ni) y cadmio (Cd) requieren un pH mayor, en el rango de 10.5 a 11 para precipitar como hidróxidos. La disolución de la cal es el primer paso del proceso de neutralización. La cal hidratada diluida entonces incrementará el pH.

El incremento del pH entonces promueve la generación de iones hidroxilo (OH-) los cuales precipitan los metales. La siguiente reacción muestra la reacción de precipitación del Zn por ejemplo: Entre los metales que precipitan como el Zn se encuentra el hierro ferroso. Desafortunadamente, los hidróxidos ferrosos no son tan estables como los hidróxidos férricos cuando el lodo es expuesto a aguas ácidas o precipitación natural. Por esta razón, a menudo se aplica aireación para oxidar el hierro a la forma más estable, mediante la siguiente ecuación:

HIDRÓLISIS DE LOS METALES

Si ahora nos fijamos en las curvas vemos que los compuestos metálicos tienen diferentes mínimos de solubilidad: 6 < pH < 10 para el Fe 8.5 < pH < 12 para el Zn 9 < pH < 12, para el Ni Por ello, parece conveniente realizar la precipitación a pH = 8.5 -9, en la zona común de los tres mínimos de solubilidad.

Formación del carbonato de calcio Formación del Yeso Un producto común de la neutralización con cal es el yeso. La precipitación del yeso ocurre cuando el DAM es a menudo rico en sulfatos y el calcio adicionado de la cal promueve un buen producto de solubilidad sobre la saturación. La reacción que ocurre es la siguiente: Formación del carbonato de calcio El carbono inorgánico de esta reacción puede provenir del mismo DAM o ser resultado del dióxido de carbono del aire, el cual es disuelto durante la aireación. Este dióxido de carbono se convierte a bicarbonato y luego parcialmente a carbonato debido al pH alto. La fracción de carbonato precipitará con altos contenidos de calcio del lodo en forma de calcita.

Formación del carbonato de calcio Esta calcita puede jugar un rol importante en la estabilidad de producto final de lodos debido a que este promueve el potencial de neutralización al lodo. Este es también un indicador de la eficiencia del proceso con cal: un proceso de neutralización más eficiente producirá menos calcita.

Procesos de tratamiento con cal El tratamiento de efluentes ácidos consiste, básicamente, en la elevación del pH para neutralizar el ácido libre y precipitar los metales disueltos; los precipitados obtenidos son coloidales y normalmente no densifican más allá de 1% en sólidos.

Tratamiento convencional de neutralización de DAM

Proceso lodos de alta densidad (HDS)

Proceso lodos de alta densidad (HDS) En lugar de contactar la cal directamente con el DAM, este sistema contacta los lodos re circulados con los lodos de la cal para neutralización. Antes de controlar contaminantes, lo ideal es reducir al mínimo el consumo de agua, optimizar su recuperación y recirculación. En lo que respecta al tratamiento del DAM mediante procesos de neutralización, para precipitar los metales disueltos se suelen utilizar diversos neutralizantes tales como la cal, soda cáustica y caliza.

Tratamiento de DAM por proceso de lodos de alta densidad

Proceso Neutralización Coagulación Dinámica (NCD)

Proceso Neutralización Coagulación Dinámica (NCD) El proceso NCD emplea un coagulante sólido externo para densificar los precipitados coloidales obtenidos en la neutralización; el mecanismo de adsorción es fundamentalmente electrostático y depende de la carga superficial de los coloides y de las partículas. Pueden actuar como partículas colectoras: el relave, escoria granulada, caliza fina, sílice, magnetita, dependiendo de su carga superficial, disponibilidad, costo y capacidad para adsorber los precipitados coloidales. Este proceso de coagulación es rápido, generalmente toma menos de 1 minuto, y la velocidad de sedimentación se incrementa notablemente dependiendo de la densidad y tamaño de la partícula colectora.

PRECIPITACIÓN DE SULFUROS: con el uso del ión sulfuro como precipitante de los metales se obtienen precipitados con un producto de solubilidad menor que los hidróxidos, pero se deberá mantener un pH adecuado, para evitar la redisolución de los sulfuros formados. Los sulfuros utilizados son: ácido sulfhídrico, el sulfuro de bario, ya que el ácido sulfhídrica crea inconvenientes de manipulación; incluso con el manejo de sulfuro de sodio se debe tener precaución, cuando este entra en contacto con aguas de bajo pH. La precipitación con sulfuros se da con todos los metales pesados, pero se usa para la remoción de mercurio y cromo hexavalente. La precipitación con sulfuros ofrece la ventaja de producir precipitado relativamente denso y reciclable, produciendo menor cantidad de lodos y se recupera sulfuros metálicos