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Determinacion de Tiempos Optimos de Remocion de Hierro y Manganeso Por Aiereacion Tipo Cascada
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Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniera Escuela Regional de Ingeniera Sanitaria y Recursos Hidrulicos ERIS. Maestra en Ingeniera Sanitaria
DETERMINACIN DE TIEMPOS PTIMOS DE REMOCIN
DE HIERRO Y MANGANESO POR AIREACIN TIPO CASCADA; UTILIZANDO TRES TIPOS DE MEDIOS DE
CONTACTO (PIEDRA VOLCNICA, ARCILLA Y PIEDRA PMEZ).
Katy Elizabeth Lpez Calvillo
Asesorado por el Ing. Zenn Much
Guatemala, noviembre de 2010
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
DETERMINACIN DE TIEMPOS PTIMOS DE REMOCIN DE HIERRO Y MANGANESO POR AIREACIN TIPO
CASCADA; UTILIZANDO TRES TIPOS DE MEDIOS DE CONTACTO (PIEDRA VOLCANICA, ARCILLA Y PIEDRA
PMEZ).
TRABAJO DE GRADUACIN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA
FACULTAD DE INGENIERA
POR:
KATY ELIZABETH LPEZ CALVILLO
ASESORADO POR EL INGENIERO ZENON MUCH
AL CONFERRSELE EL TTULO DE
MAESTRO EN INGENIERA SANITARIA
GUATEMALA, NOVIEMBRE DE 2010
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
NMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I Inga. Glenda Patricia Garca Soria
VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez
VOCAL III Ing. Miguel ngel Dvila Caldern
VOCAL IV Br. Luis Pedro Ortz de Len
VOCAL V P.A. Jos Alfredo Ortz Herincx
SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez
TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADOR M.Sc. Pedro Cipriano Saravia Celis
EXAMINADOR Ing. Adn Pocasangre.
EXAMINADOR Ing. Flix Alan Douglas Aguilar Carrera
EXAMINADOR Ing. Zenon Much Santos
EXAMINADOR Esp. Ing. Tefilo lvarez Marroqun
SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez
HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR
Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San
Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin
titulado:
DETERMINACIN DE TIEMPOS PTIMOS DE REMOCIN DE HIERRO Y MANGANESO POR AIREACIN TIPO
CASCADA; UTILIZANDO TRES TIPOS DE MEDIOS DE CONTACTO (PIEDRA VOLCNICA, ARCILLA Y PIEDRA
PMEZ),
tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela Regional de
Ingeniera Sanitaria y Recursos Hidrulicos ERIS, de la Facultada de Ingeniera,
el 18 de noviembre de 2010.
Katy Elizabeth Lpez Calvillo
AGRADECIMIENTOS A
DIOS Por guiarme, guardarme y llenarme de
sabidura para culminar satisfactoriamente
este trabajo de graduacin
MIS PADRES Quienes me apoyaron y me dieron el aliento
necesario para terminar el presente trabajo de
graduacin.
FAMILIARES Con cario sincero
COMPAEROS Y AMIGOS Por los momentos compartidos y el apoyo
incondicional.
ESCUELA REGIONAL DE Por haberme brindado la oportunidad de
INGENIERA SANITARIA, ERIS forjarme del saber al estudiar esta nueva
carrera universitaria.
UNIVERSIDAD DE SAN Por permitirme ser fruto del saber al
CARLOS DE GUATEMALA estudiar esta carrera de nivel superior.
INSTITUTO DE FOMENTO Por permitirme realizar la investigacin en su
MUNICIPAL-INFOM-UNEPAR instalacin, y por el apoyo brindado por sus
directivos.
I
NDICE GENERAL
NDICE DE ILUSTRACIONES....................................................... V
LISTA DE SMBOLOS................................................................ IX
GLOSARIO............................................................ XI
RESUMEN...................................................... XV
OBJETIVOS. XIX
HIPTESIS.................................................................................. XXI
INTRODUCCIN.............................................................. XIII
1. ANTECEDENTES. ....................................................... 1
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................... 5
3. JUSTIFICACIN........................................................ 7
4. ALCANCE DEL ESTUDIO................................................... 9
5. MARCO TERICO Y CONCEPTUAL................................... 11
5.1.1. Procesos unitarios 11
5.1.2. Operaciones unitarias empleadas en el tratamiento de agua 11
5.1.3. Procesos de tratamiento de agua 12
5.1.4. Aireacin del agua 13
5.1.5. Aireacin 13
5.1.6. Equipo de tratamiento de agua. 14
5.1.7. Transferencia de gases.. 15
5.1.8. Remocin de sustancias causantes de sabores y olores. 15
5.1.9. Principales tipos de aireadores. 15
5.1.10. Control de proceso de aireacin 17
II
5.1.11. Limitaciones.. 17
5.1.12. Generalidades del hierro. 18
5.1.13. Importancia del hierro para el sanitarista.. 20
5.1.14. Generalidades del manganeso 21
5.1.15. Importancia del manganeso para el sanitarista. 25
5.1.16. Generalidades del agua, aguas subterrneas y superficiales.... 26
5.1.17. Rocas gneas, arcilla y pmez.. 28
5.1.18. Granulometra de las rocas.. 30
5.1.19. Remocin del hierro y manganeso.. 31
5.1.20. Otros mtodos de remocin.. 33
5.1.21. Mtodos de aireacin. 35
5.1.22. Remocin del Fe y Mn por aireacin.. 37
5.1.23. Especificaciones: mximos permisibles norma guatemalteca 40
6. METODOLOGA.................................................................. 41
6.1. Elaboracin del sistema de aireacin.. 44
6.1.1. Diseo de la cascada . 46
6.1.2. Sistema tipo cascada de aireacin.. 47
6.1.3. Parmetros de diseo de la cascada de oxigenacin 48
6.1.4. Diagramas pilotos de las evaluaciones realizadas. 51
7. RESULTADOS...................................................................... 55
7.1. Primera evaluacin de remocin por oxidacin 55
III
7.1.1. Aireacin con del agua con Fe+2 y Mn+2 en contacto con piedra.55
7.2. Segunda Evaluacin de remocin por oxidacin... 57
7.2.1. Aireacin con del agua con Fe+2 y Mn+2 en contacto con Arcilla.57
7.3. Tercera evaluacin de remocin por oxidacin 61
7.3.1. Aireacin con del agua con Fe+2 y Mn+2 en contacto con pmez. 61
7.4. Cuarta evaluacin de remocin por oxidacin . 64
7.4.1. Aireacin con del agua con Fe+2 y Mn+2 con aire.. 64
8. DISCUCIN DE RESULTADOS................................................. 77
CONCLUSIONES..................................................................... 85
RECOMENDACIONES............................................................. 87
BIBLIOGRAFA...................................................................... 89
ANEXOS .. 91
IV
V
NDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1. Localizacin del pozo . 02
2. Cintica de la reaccin de oxidacin del manganeso..... 39
3. Diseo de la cascada . 46
4. Sistema de aireacin por gravedad y de recirculacin mecnica.. 47
5. Esquema piloto de aireacin tipo cascada con piedra volcnica
como medio de contacto, para remocin de Fe+2 y Mn+2 51
6. Esquema piloto de aireacin tipo cascada con arcilla como
medio de contacto, para remocin de Fe+2 y Mn+2 52
7. Esquema piloto de aireacin tipo cascada con piedra pmez
como medio de contacto, para remocin de Fe+2 y Mn+2 . 53
8. Sistema de aireacin tipo cascada... 96
9. Piedra volcnica decolorada en el proceso de aireacin. 96
10. Aireacin del agua con Fe+2 y Mn+2 en contacto con arcilla. 97
11. Aireacin del agua con Fe+2 y Mn+2 en contacto con piedra pmez. 97
TABLAS
I. Granulometra 30
II. Especificaciones Norma Guatemalteca obligatoria 40
III. Parmetros de diseo de la cascada de oxigenacin 48
IV. Parmetros de oxidacin de Fe y manganeso en contacto con piedra
volcnica y aire.. 55
VI
V. Parmetros de oxidacin de Fe+2 y Mn+2 en contacto con arcilla y aire.. 58
VI. Parmetros de oxidacin de Fe+2 y Mn+2 en contacto con piedra pmez. 61
VII. Parmetros de oxidacin de Fe+2 y Mn+2 en contacto solo con aire 64
VIII. pH del agua aireada en los cuatro sistemas evaluados.. 66
IX. Mximos y mnimos de eficiencias de remocin de Fe+2 y Mn+2 . 69
X. Eficiencias comparativas de remocin de los cuatros sistemas evaluados 73
XI. Tiempo ptimos de remocin de Fe+2 y Mn+2 ... 81
XII. Costo del proyecto.. 95
NDICE DE GRFICAS
1. Tiempo ptimos de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin en contacto con piedra
Volcnica..56
2. pH del agua con Fe+2 y Mn+2 durante el proceso de aireacin con piedra volcnica
a temperatura ambiente (25C.) 57
3. Tiempo ptimos de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin en contacto con
Arcilla.59
4. pH del agua con Fe+2 y Mn+2 durante el proceso de aireacin con
Arcilla .. 59
5. Tiempo ptimos de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin en contacto con piedra
pmez.. 62
6. pH del agua con Fe+2 y Mn+2 durante el proceso de aireacin con piedra
pmez.. 63
7. Tiempo ptimos de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin sin ningn medio de
contacto65
VII
8. pH del agua con hierro y manganeso durante el proceso de aireacin sin ningn
medio de contacto.. 65
9. pH del agua con hierro y manganeso aireada en contacto con tres tipos de medios
de contacto 67
10. Eficiencias de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin en contacto con piedra
volcnica 69
11. Porcentaje de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin con arcilla. 71
12. Porcentaje de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin con pmez. 71
13. Porcentaje de remocin de Fe+2 y Mn+2 por aireacin.. 72
14. Eficiencias compartidas en tres tipos de medios de contacto 73
15. tiempo ptimo de remocin de hierro y manganeso contenida en agua en tres tipos
de medios de contacto. 74
VIII
IX
LISTA DE SMBOLOS
Smbolo Significado
Fe+2 Hierro. Elemento qumico, en estado soluble.
La presencia del hierro en el agua provoca precipitacin
y coloracin no deseada
Este metal es un buen agente reductor y, dependiendo
de las condiciones, puede oxidarse hasta el estado 2+m
3+ o 6+.
Mn+2 Manganeso. Elemento qumico, en estado soluble.
El manganeso se oxida con facilidad en el aire para
formar una capa castaa de xido. Tambin lo hace a
temperaturas elevadas.
En sus muchos compuestos, presenta estados de
oxidacin de 1+ hasta de 7+. Los estados de oxidacin
ms comunes son 2+, 4+ y 7+.
X
XI
GLOSARIO
Aireacin: Se efecta mediante cadas de agua en escaleras,
cascadas, chorros y tambin aplicando el gas a la masa
de agua mediante aspersin o burbujeo. Se utiliza en la
remocin de hierro y manganeso, y as como tambin de
anhdrido carbnico, cido sulfhdrico y sustancias
voltiles para controlar corrosin y olores.
Adsorcin: Consiste en la remocin de iones y molculas presentes
en la solucin, concentrndolos en la superficie de un
medio absorbente mediante la accin de fuerzas
interfaciales. Este proceso se aplica en la remocin de
olores y sabores, mediante la adicin de carbn activado
en polvo.
Aguas naturales: Agua cruda, subterrnea, de lluvia, de tormenta, de
tormenta residual y superficial.
Desinfeccin: Mediante la aplicacin de ozono o cloro gas en la masa
de agua.
Coeficientes: Factor numrico de un trmino algebraico. Un coeficiente
en matemticas es un factor multiplicativo vinculado a
ciertos elementos, como una variable, un vector unitario,
una funcin base, etctera. Generalmente, dichos
elementos y los coeficientes estn indexados de la
misma forma.
XII
Coagulacin Qumica: Consiste en adicionar al agua una sustancia qumica que
tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus
iones a la sustancia que se desea remover neutralizando
la carga elctrica de los coloides para favorecer la
formacin de flculos de mayor tamao y peso.
Cribado o Cernido: Consiste en hacer pasar el agua a travs de rejas o
tamices, las cuales retienen los slidos de tamao mayor
a la separacin de sus barras, como por ejemplo, ramas,
palos y toda clase de residuos slidos.
Intercambio inico: Consiste en un intercambio de iones, entre la sustancia
que se desea remover y un medio slido a travs del cual
se hace pasar el flujo del agua. Este es el caso del
ablandamiento del agua mediante resinas en el cual se
realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por
iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el
agua a travs de un medio poroso constituido por zeolitas
de sodio.
Filtracin: Consiste en pasar el flujo de agua a travs de un medio
poroso normalmente de arena, en el cual actan una
serie de mecanismos de remocin cuya eficiencia
depende de las caractersticas de la suspensin (agua
ms partculas), y del medio poroso. Consiste en la
remocin de partculas suspendidas y coloidales
presentes en una suspensin acuosa que escurre a
travs de un medio poroso. Filtracin es la operacin final
de clarificacin que se realiza en u planta de tratamiento
de agua y, por consiguiente, es la responsable principal
XIII
de produccin de agua de calidad coincidente con los
estndares de potabilidad.
Flotacin: Provee condiciones de reposo, para que los slidos cuya
densidad es menor que la del agua, asciendan a la
superficie de la unidad de donde son retirados por
desnatado.
Oxidacin de Hierro: Se basa en la precipitacin del hierro disuelto (Fe2+) en
su forma oxidada (Fe3+), como Fe (OH)3 Fe2O3.
Eliminacin de hierro mediante mtodo fsico-qumico.
Este procedimiento consiste en la oxidacin del hierro
con aire seguida de una filtracin de arena.
Precipitacin qumica: Consiste en adicionar al agua una sustancia qumica
soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia
que se desea remover, formando un precipitado.
Recarbonatacin: Aplicacin para bajar el pH del agua despus del
ablandamiento.
Reaccin qumica aerbica:
Es un proceso que requiere de la presencia del oxgeno
para llevar a cabo la produccin de energa.
Sedimentacin: Consiste en promover condiciones de reposo en el agua,
para remover mediante la fuerza gravitacional, las
partculas en suspensin ms densas que el agua.
XIV
XV
RESUMEN
El estudio busc evaluar un procedimiento de tratamiento que permitan la remocin de
hierro y manganeso en tiempos ptimos de aireacin del agua subterrnea del
municipio de Mixco, en donde la concentracin principalmente de manganeso en el
agua cruda ha llegado a ser hasta de 1.3 mg/L y en todos los casos se han obtenido
concentraciones del agua tratada que cumplen con el lmite mximo permisible de
Hierro=(Lmite mximo aceptable: 0.1 mg/L Lmite mximo permisible: 1.0 mg/L) y
Manganeso=(Lmite mximo aceptable: 0.05 mg/L Lmite mximo permisible:
0.5mg/L), segn lo establecido por la Norma Guatemalteca Obligatoria 29001:99 de
agua potable; y 0.3 mg/l de Fe y 0.05 mg/L de Mn, Norma de agua para consumo
humano.
El hierro y manganeso presente en las fuentes de agua subterrnea para
abastecimiento pblico son removidas, mediante un proceso no convencional de
aireacin tipo cascada; sistema diseado con cinco contenedores colocados a 0.224m
de distancia uno de otro; disponiendo en su interior de medios de contacto tales como
arcilla, piedra volcnica, y piedra pmez, cada una por separado para cada evaluacin
realizada.
Las pruebas consistieron en evaluar la remocin de hierro y manganeso por
transferencia de gases a partir de la aireacin al ser transportada el agua por gravedad
de un contenedor a otro a una altura de 0.355 m en contacto con el aire y remocin por
transferencia de iones por adsorcin al entrar en contacto con los diferentes medios
filtrantes.
En la pruebas realizadas con medios de contacto se obtuvieron resultados muy
satisfactorios, logrndose establecer reducciones de hierro y manganeso por oxidacin
XVI
por aireacin, a niveles desde el un 5% hasta el 100% de eficiencia. Establecindose
con ello los tiempos ptimos de remocin.
Las evaluaciones realizadas en el sistema de aireacin tipo cascada requiri un
volumen de 30 litros de agua para cada prueba con los diferentes medios de contacto;
el agua utilizada contena una concentracin de manganeso que va de 0.3 a 0.7 mg /L,
y de hierro desde 0.79 a 1.02.
El sistema consta de cinco escalones, en los que se dispone de un contenedor, cada
uno con un medio de contacto o lecho filtrante; con las siguientes granulometras: de 5
a 10 cm de dimetro para piedra volcnica, y de 5 a 10 mm de dimetro para la arcilla
y piedra pmez.
Previo a cada arranque se requiri de un sistema de lavado, el cual garantiz la
correcta aplicacin de los medios de contacto, y para eliminar cualquier residuo que
alterara los resultados.
Los perodos de muestreo se iniciaron a cada dos horas, y se redujeron o
incrementaron a medida que se lograr obtener el 100% de remocin de hierro y
manganeso; tal fue el caso de la evaluacin con la piedra volcnica; la cual a las tres
horas de aireacin (180mm) se logr la remocin del 100% de manganeso, y un
incremento del 5.06% de hierro.
Con el fin de adquirir los tiempos ptimos en los que inicia su remocin por
transferencia de gases a partir de la aireacin y por transferencia de iones por
adsorcin al entrar en contacto con los diferentes medios filtrantes; se redujeron los
tiempos de muestreo durante la aireacin del agua en contacto con la piedra volcnica.
Para esta primera evaluacin, con el fin de remover alternadamente los dos elementos
qumicos, se recomienda airear nicamente 90 minutos para remover solo el 26.58% de
hierro y el 50% de manganeso.
XVII
La arcilla removi 74.68% de hierro y 100% de manganeso a los 720 minutos de
aireacin.
La piedra pmez removi el 4.95% de hierro y el 85.71% de manganeso a los 666
minutos de aireacin.
La ltima aireacin sin medio de contacto removi un mximo de 100% y un promedio
de 64.3 % de manganeso; remocin que no se logro en el hierro en donde se
increment su concentracin a 59.4% de la concentracin inicial airendolo por 420
minutos.
De los tres medios de contacto la arcilla es la mejor alternativa de remocin de hierro y
manganeso, siendo la eficiencia para ambos elementos, mayor al 70% de remocin por
oxidacin en contacto con el oxigeno durante 720 minutos de aireacin en el sistema
tipo cascada.
XVIII
XIX
OBJETIVOS
Objetivo general
Determinar tiempos ptimos de remocion de hierro y manganeso del agua del pozo
de Alamedas Yumar de Mixco, Guatemala; a travs de la oxidacin por
transferencia de gases a partir de la aireacin en un sistema convencional tipo
cascada y por transferencia de iones por adsorcin al entrar en contacto de forma
alternada con los tres diferentes medios de contacto (piedra volcnica, piedra
pmez y arcilla).
Objetivos especficos
1. Evaluar la eficiencia de remocin del hierro y manganeso en contacto con
piedra volcanica, y determinar el tiempo ptimo en el que se logr la mayor
remocin de Fe y Mn, con estas condiciones.
2. Evaluar la eficiencia de remocin del hierro y manganeso en contacto con
Arcilla, y determinar el tiempo ptimo en el que se logr la mayor remocin
de Fe y Mn, con estas condiciones.
3. Evaluar la eficiencia de remocin del hierro y manganeso en contacto con
piedra Pomez, y determinar el tiempo ptimo en el que se logr la mayor
remocin de Fe y Mn, con estas condiciones.
4. Establecer parametros de referencia evaluando el sistema sin medio de
contacto.
XX
XXI
HIPTESIS
Las eficiencias de remocin de Hierro y Manganeso del agua de un pozo de Mixco
Guatemala; al entrar en contacto con el are y con tres diferentes medios de contacto
(piedra volcnica, arcilla y pmez) se encuentran en funcin del tiempo de aireacin y
exposicin/contacto.
XXII
XXIII
INTRODUCCIN
El hierro y el manganeso disueltos se encuentran principalmente presentes en aguas
subterrneas localizadas en terrenos pizarrosos o aluvionales18.
Cuando aguas que contienen estos metales son bombeadas de pozos a reservorios se
libera anhdrido carbnico e hidrgeno sulfurado, resultando en un aumento de pH del
agua. Las formas ms comunes del hierro y manganeso solubles son las de
bicarbonatos18.
Varios estudios realizados en la Escuela de Ingeniera Sanitaria de Guatemala, C.A.,
sobre la remocin de hierro y manganeso han sido basados en la remocin por
coagulacin, filtracin rpida con lecho de arena y arena slice; por intercambio
catinico y por filtracin de contacto; pero no existen registros de evaluacin
experimental para remocin de estos dos elementos qumicos contenidos en el agua
por medio de aireacin por oxidacin, a travs de transferencia de gases a partir de la
aireacin y por transferencia de iones por medio de la adsorcin al entrar en contacto
con los diferentes medios filtrantes, como se expone en el presente informe.
El estudio se orient a caracterizar tres tipos de medios de contacto que
intervinieron en el proceso de aireacin de agua con concentraciones elevadas de
hierro y manganeso a partir de un ensayo experimental a pequea escala. El cual
fcilmente puede ser aprovechado para la remocin del hierro y manganeso del agua
del pozo de alamedas Yumar en Mixco, por su facilidad de construccin, y por la
facilidad de adquisicin de los medios filtrantes.
Este sistema expone el agua cruda con Fe, y Mn, ante la aireacin, para remover los
contaminantes por medio de oxidacin, por transferencia de gases a partir de la
aireacin y por transferencia de iones por adsorcin al entrar en contacto con los
diferentes medios filtrantes.
XXIV
Las tecnologas estudiadas corresponden al sistema de aireacin tipo cascada;
operando con agua subterrnea, que contenan concentraciones fuera de
especificaciones de hierro y manganeso. (Concentraciones del agua= 1.02 mg/L Fe y
0.7 mg/L Mn) (Especificaciones segn norma guatemalteca: Fe
- 1 -
1. ANTECEDENTES
El hierro y manganeso presentes en las fuentes de agua subterrneas para
abastecimiento pblico son removidas mediante un proceso no convencional de
adsorcin que utiliza zeolita natural tipo clinoptilolita recubierta con xidos
manganeso, el cual se ha investigado en diversos lugares del pas, tales como
Guaymas, Navojoa, como Veracruz, Zihuatanejo; Texcoco, Estado de Mxico;
Iztapalapa, ciudad de Mxico; Culiacn, Sinaloa y Camargo, Chihuahua; y
utilizando los diferentes medios de coagulacin, sedimentacin, ablandamiento
y filtracin, y aireacin en todo Mxico, Per, Brasil y Chile entre otros pases.
Pero una investigacin de intercambio inico por adsorcin al entrar en contacto
con medios filtrantes como piedra volcnica, arcilla y piedra pmez, y por
transferencia de gases por remocin del Fe+2 y Mn+2 por aireacin no se tienen
antecedente de un estudio similar en la Escuela de Ingeniera Sanitaria, ERIS.
La ubicacin del proyecto en estudio sobre la oxidacin de hierro y manganeso
contenida en el agua de fuentes subterrneas de los pozos del municipio de
Mixco, Guatemala; se realiz en los laboratorios de Qumica y Microbiologa
sanitaria de la Escuela regional de Ingeniera Sanitaria; y en el Instituto de
Fomento municipal INFOM-UNEPAR; ubicado en las siguiente coordenadas:
Coordenadas UTM: 15 P 764,875 E 1,618,934 N
Coordenadas geogrficas: 14 37' 51.07" N, 90 32' 27.77" O
Red Iberoamericana de Potabilizacin y Depuracin del Agua. Captulo 4. Pg. 40
- 2 -
FIGURA: 1 Localizacin del pozo: donde se obtuvo el agua con
concentraciones altas de Fe y manganeso. Alamedas de Yumar: Mixco
Guatemala. Pozo Alamedas de Yumar. Coordinadas UTM: 15P - 757,814E -
1,622,869 N Coordenadas Geograficas: 14 40' 1.53" N, 90 36' 22.21" O
Gran parte de las fuentes de abastecimiento del pas se ven afectadas por la
alta concentracin de Hierro y Manganeso. La problemtica es muy comn
tanto en agua superficial como en la subterrnea.
Tanto el hierro como el manganeso crean serios problemas en los
abastecimientos pblicos de agua. Los problemas son ms extensos y crticos
con aguas subterrneas, pero tambin se encuentran dificultades en ciertas
estaciones del ao en aguas extradas de algunos ros y de abastecimientos
superficiales estancados.
El hierro existe en suelos y minerales principalmente como xido frrico
insoluble y sulfuro de hierro (pirita). En algunas reas tambin se presenta
como carbonato ferroso (siderita), que es muy ligeramente soluble. Puesto que
las aguas subterrneas por lo general contienen grandes cantidades de dixido
de carbono: FeC03 + C02 + H20 -- Fe+2 + 2HCO3.
El manganeso existe en el suelo principalmente como dixido de manganeso,
que es muy insoluble en agua que contiene dixido de carbono. En condiciones
- 3 -
reductoras (anaerbicas), el manganeso en forma de dixido es reducido de un
estado de oxidacin IV a un estado II, y se hace soluble, como ocurre con los
xidos frricos.
La norma vigente para agua para consumo humano segn NGO 29 001:99
limita la concentracin de hierro a 0.3 mg/L y la del manganeso a 0.05 mg/L; y
AGUA POTABLE NGO29001:99 0.1 a 1 mg/l de hierro, y de 0.05 a 0.5 de
manganeso.
La remocin de hierro y manganeso en la prctica se efecta a travs de una
de las siguientes tcnicas: aireacin, aireacin y cloracin, oxidacin con
kmno4, proceso con zeolita de manganeso y kmno4. Aeracin y/o oxidacin
qumica - filtracin por arena o arena y antracita, tratamiento convencional
combinado con ablandamiento, estabilizacin por secuestro, intercambio inico
operando a ciclo de filtracin por "greensand", control de hierro y manganeso
in situ.
Este estudio abarcar nicamente la evaluacin experimental a pequea escala
de la remocin de hierro y manganeso por aireacin.
- 4 -
- 5 -
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Existe una relacin entre el tiempo y eficiencias de remocin de hierro y
manganeso del agua de un pozo de Mixco Guatemala; al entrar en contacto con
el are y con tres diferentes medios de contacto?
Palabras Clave
La oxidacin es la combinacin con el oxgeno. Reaccin en la que un tomo o
un in pierden electrones.
Los coeficientes de oxidacin son los tiempos ideales para la remocin de
hierro y manganeso, mediante aireacin.
Hierro, manganeso, agua subterrnea, concentraciones de hierro y manganeso,
eficiencias, remocin, especificacin, tiempos de aireacin, medios de
contacto, adsorcin, transferencia de gases.
Agua potable, calidad del agua, optimizacin, oxidacin, remocin, aireacin,
adsorcin, transferencia de gases, tiempo.
- 6 -
- 7 -
3. JUSTIFICACIN
Debido a las diversas actividades del ser humano (agrcolas, ganaderas,
industriales, recreacionales, etc.), han trado como consecuencia la
contaminacin de las aguas superficiales y subterrneas; principalmente con
sustancias qumicas y microbiolgicas, adems del deterioro de sus
caractersticas estticas. Esto implica la necesidad de someter el agua a una
serie de procesos u operaciones unitarias, para potabilizarla, a fin de que pueda
ser utilizada como fuente para consumo humano.
Hoy da y en el futuro, y como consecuencia de la contaminacin creciente que
inciden de forma perjudicial en la salud de los consumidores de agua potable
(por pesticidas, detergentes, subproductos de la desinfeccin y otras sustancias
orgnicas e inorgnicas; algunas fuentes de agua suelen contener cantidades
altas de Hierro y manganeso; como el caso de Mixco, Guatemala; debido a ello
surge la necesidad de buscar alternativas que se provean medios de soporte
para la remocin de estos elementos qumicos en el agua para potabilizarla.
Para suplir esta necesidad, se presenta como alternativa un diseo de
aireadores por gravedad para hacer circular de forma mecnica el agua con
hierro y manganeso y someterla a tener contacto con el aire, en un sistema tipo
cascada, para aprovechar las diferencias de nivel que pueda ser utilizadas en
cualquier comunidad; en donde solo hay que aplicar fuerza de gravedad,
existen los tipos de cascada, planos inclinados, de columnas verticales y de
columnas de charolas o canales perforados; pero se utilizar el de cascada
para provocar que el agua entre en contacto con un medio filtrante. Esta tcnica
se selecciono por ser muy econmica, ya que los materiales de contacto son de
fcil acceso en las comunidades rurales.
Remover el manganeso del agua es difcil, se requiere elevar el pH sobre 9.0 y
extremar su oxidacin (algunas 60 veces ms que la oxidacin requerida para
la remocin de otros metales). En los sistemas tradicionales, la oxidacin del
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manganeso puede necesitar un tiempo de residencia de 60 minutos a pH 9.5 y
O2=1. Dichos tratamientos son costosos, en trminos de tiempo, qumicos y por
supuesto, econmicos.
Este sistema propuesto no requiere de ningn qumico, para proporcionar estas
condiciones ideales, sino se utilizar las condiciones naturales (aire, agua con
Fe y Mn, y medios de contacto: piedra volcnica, pmez, y arcilla); los cuales
por sus propiedades y caractersticas fisicoqumicas, le conferirn la propiedad
y condiciones de incrementar el pH para su mejor remocin.
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4. ALCANCES DEL ESTUDIO
El alcance de este estudio, comprende unicamente determinar los tiempos
ptimos de remocin del 50% del hierro y manganeso del agua cruda
subterranea de pozos del municipio de Mixco, Guatemala, por oxidacin por
transferencia de gases a partir de la aireacin en un sistema convencional tipo
cascada y por transferencia de iones por adsorcin al entrar en contacto de
forma alternada con los tres diferentes medios de contacto (piedra volcnica,
piedra pmez y arcilla).
.
No se pretende abarcar ninguna otra caracteristica fisica, quimica, y
microbiologica del agua que pueda verse afectada durante la evaluacin de las
variables a investigar.
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5. MARCO TERICO
PROCESOS UNITARIOS 2 :
Una operacin unitaria es un proceso qumico, fsico o biolgico, mediante el
cual las sustancias objetables contenidas en el agua, son removidas o
transformadas en sustancias inocuas.
La mayor parte de los procesos, originan cambios en la concentracin, o en el
estado de una sustancia especfica, la cual es desplazada o incorporada en la
masa de agua, fenmeno que recibe el nombre de transferencia de fase, como
por ejemplo la introduccin de oxgeno al agua (transferencia de la fase
gaseosa a la lquida), o la liberacin de anhdrido carbnico contenido en el
agua (transferencia de la fase lquida a la gaseosa), mediante el proceso de
aireacin.
Operaciones Unitarias empleadas en el tratamiento del agua.
Los procesos de transferencia empleados en el tratamiento del agua para
consumo humano son principalmente los de:
Transferencia de slidos (procesos de cribado, sedimentacin, flotacin,
y filtracin).
Transferencia de iones (mediante procesos de coagulacin,
precipitacin qumica, adsorcin e intercambio inico.)
Transferencia molecular o de nutrientes. (Es el proceso de purificacin
natural del agua, las bacterias saprofitas degradan la materia orgnica
transformando sustancias complejas en material celular vivo, o en
sustancias ms simples y estables, incluyendo los gases de
descomposicin.
Transferencia de gases. Consiste en cambiar la concentracin de un gas
en el agua. (Por aireacin, desinfeccin, y recarbonatacin).
2.Manual de la Cepis. Captulo 3, procesos unitarios y plantas de tratamiento. Ing. Lidia de Vargas. Pg.
108
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Este ltimo proceso de aireacin (transferencia de gases) y adsorcin
(Transferencia de iones); son los dos parmetros a los que expondr el agua
para remover hierro y manganeso en este estudio.
Los objetivos del tratamiento para mejorar la calidad del agua de
abastecimiento son de los siguientes tipos:
Higinico: remover bacterias y elementos venenosos o nocivos, as como
resolver la mineralizacin excesiva y las concentraciones elevadas de
compuestos orgnicos, protozoarios y otros microorganismos.
Esttico: corregir el color, la turbidez, el olor y el sabor.
Econmico: reducir la corrosividad, la dureza, el color, la turbidez; reducir las
concentraciones de hierro y manganeso; resolver problemas de olor y sabor,
entre otros.
PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUA 2
Los procesos de tratamiento son los siguientes: Aireacin, coagulacin,
floculacin, decantacin o sedimentacin, filtracin, tratamiento por contacto,
correccin de la dureza, desinfeccin, control de la corrosin y cloracin, control
del sabor y olor.
Este estudio comprende nicamente el proceso de tratamiento por aireacin, la
cual se efecta mediante cadas de agua en escaleras, cascadas, chorros o
tambin aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersin o burbujeo. Se
utiliza en la remocin de hierro y manganeso, y as como tambin de anhdrido
carbnico, cido sulfhdrico y sustancias voltiles para controlar corrosin y
olores.
2.Manual de la Cepis. Captulo 3, procesos unitarios y plantas de tratamiento. Ing. Lidia de Vargas. Pg.
108
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AIREACIN DEL AGUA1
La aeracin es el proceso de tratamiento mediante el cual se incrementa el rea
de contacto del agua con el aire, para facilitar el intercambio de gases y
sustancias voltiles.
La aeracin se realiza por tres razones:
1) Remocin de gases disueltos:
a) Gas carbnico presente en el agua en forma natural;
b) Gas sulfhdrico proveniente de la putrefaccin o fermentacin de los
depsitos orgnicos putrescibles o fermentables del fondo de los
reservorios;
c) Cloro en exceso (proveniente de la supercoloracin).
2) Introduccin del oxgeno del aire en el agua:
a) Para oxidar el hierro y el manganeso, cuya remocin se realiza mediante
la decantacin y filtracin (de esta manera tambin se reduce el sabor
debido al hierro y al manganeso);
b) Para aadir oxgeno en el agua hervida o destilada.
AEREACIN: 1
La aireacin es el proceso mecnico por el cual se procura un contacto ntimo
del aire con el agua. Aplicada al tratamiento de agua, la aireacin transfiere
molculas gaseosas, principalmente oxigeno, del aire (fase gaseosa) al agua
(fase liquida). Aunque a menudo la meta es disolver oxgeno en agua, la
aireacin incluye tambin la remocin del agua de gases indeseables, como
CO2 y metanol este proceso se cita algunas veces como desgasificacin.
La aireacin est acompaada de otros procesos o reacciones, que pueden ser
de naturaleza fsica, qumica o bioqumica.
1. Manual del agua. Nalco Chemical company. Frank N. Jemmer John Mccallion. Tomo II1989. Mc
GRAW-HILL interamericana de Mxico S.A. Seccin 16-1
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El uso de la aireacin se encuentra en el campo de la oxidacin bioqumica de
desechos orgnicos, domsticos o industriales. Pero aireacin tambin se usa
ampliamente para la oxidacin de impurezas inorgnicas como, por ejemplo,
hierro, manganeso y sulfuro de hidrgeno, y para la remocin u oxidacin de
impurezas voltiles causantes de olor o mal sabor. La aireacin cuyo objetivo es
aumentar slo el contenido de oxgeno en el agua se lleva a cabo algunas
veces en el ltimo paso en una de tratamiento de agua o de desecho.
Equipo:
En el tratamiento de agua dulce, los aireadores por gravedad y los aireadores
por roco han sido tradicionalmente usados para remover hierro, y manganeso y
sulfuro de hidrgeno. Las tcnicas de aireacin desarrolladas para el
tratamiento de aguas de desecho son aplicables tambin al agua dulce, aunque
los requerimientos de capacidad son por lo general mayores.
Los aireadores por gravedad o en cascada se asemejan a menudo a torres de
enfriamiento, ya que el agua es bombeada por la parte superior y se la hace
caer en cascada sobre unas tabletas de madera hasta que son recogidas en un
pozo o estanque.
El aireador de aspiracin forzada es semejante a una torre de enfriamiento en
cuanto a que se fuerza aire hacia arriba contra un flujo de agua sobre tablas de
madera.
El aireador empacado de coque, tambin una unidad de reflujo por gravedad,
es popular en las instalaciones de remocin de hierro y manganeso en virtud de
su simplicidad.
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Transferencia de gases
Consiste en cambiar la concentracin de un gas que se encuentra incorporado
En el agua mediante procesos de aireacin, desinfeccin y recarbonatacin.
Aireacin
La aireacin se efecta mediante cadas de agua en escaleras, cascadas,
chorros y tambin aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersin o
Burbujeo.
Se usa en la remocin de hierro y manganeso, as como tambin de anhdrido
carbnico, cido sulfhdrico y sustancias voltiles, para controlar la corrosin y
olores.
Remocin de sustancias causantes de sabores y olores:
a) Sustancias oleaginosas provenientes de algas y otros organismos
(Cuando son voltiles);
b) Gas sulfhdrico;
c) Sabores debidos al hierro y al manganeso;
d) descomposicin de la materia orgnica (quema).
Cuando se remueve el gas carbnico o se reduce la tendencia corrosiva del
agua y el consumo de lcalis, se obtiene un aumento del pH.
En la prctica, es imposible la reduccin por aeracin de todo gas carbnico
presente en el agua, debido a que el gas carbnico del aire tambin puede
disolverse.
La remocin del gas sulfhdrico por aeracin es lo suficientemente eficaz para
reducir los olores, sabores y demanda de cloro.
2. Manual de la Cepis. Captulo 3. Procesos unitarios y plantas de tratamiento. Ing. L. de Vargas. Pg. 108
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Principales tipos de airadores 3
1) Aireadores de gravedad: son los siguientes:
a) Aireadores de cascada: el principio general consiste en esparcir el agua al
mximo y dejarla correr sobre obstculos para producir turbulencia. La
estructura ms simple es la de escaleras, las cuales esparcen el agua y
permiten la cada de un nivel a otro.
b) Aireadores de bandejas: consisten en una serie de bandejas con
hendiduras o perforaciones o con un fondo de malla de alambre sobre las
cuales se distribuye el agua para que caiga en un tanque de recoleccin.
Algunos aireadores de este tipo estn dotados de un lecho grueso de trozos de
carbn o bolas de cermica, cuyo espesor vara de 5 a 15 centmetros y que se
coloca en las bandejas para lograr mayor eficacia y producir mayor turbulencia.
Los lechos gruesos son eficaces, especialmente cuando se utilizan como
auxiliares catalizadores de las reacciones de oxidacin, para causar la
precipitacin del xido de fierro y el manganeso (pirolusita).
c) Aireadores de aire difuso: por lo general, son tanques rectangulares de
concreto con tubos perforados o placas porosas u otros dispositivos que se
encuentran cerca del fondo y a travs de los cuales el aire comprimido se
inyecta en el sistema. Como resultado, se producen burbujas de aire que
aumentan el contacto entre el agua y el aire.
La cantidad de aire que se requiere depende de la finalidad de la aeracin.
d) Aireadores de aspersin: estn compuestos por boquillas colocadas en un
tubo de distribucin. Los aireadotes de aspersin poseen un valor esttico y
agradan al pblico (son fuentes luminosas). Necesitan un rea grande y por ello
no son econmicos. Son los aireadores ms eficaces para el intercambio de
gases y sustancias voltiles.
3. Manual de la Cepis. ASPECTOS FISICOQUMICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA. Captulo 1 Qum. Ada
Barrenechea Martel. Pgina 33 -34
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Control del proceso de aireacin
El control del proceso de aeracin consiste en determinar la concentracin de
oxgeno disuelto, gas carbnico libre, gas sulfhdrico y el valor del pH.
El proceso de aireacin tendr xito si se cumplen las siguientes tres
condiciones simultneamente:
Cuando la concentracin de oxgeno disuelto est entre 7 y 10 ppm;
Cuando la concentracin de gas carbnico se ubica entre 3 y 5 ppm;
Cuando hay ausencia total de gas sulfhdrico.
Limitaciones3
El oxgeno que se incorpora al agua durante el proceso de aeracin puede
volverla ms corrosiva y formar, con el hierro de la tubera, tubrculos que
reducen su dimetro y su capacidad de escurrimiento. Por ello, la aeracin no
se debe utilizar indiscriminadamente sino solo cuando las finalidades estn
controladas. La aeracin no siempre es un mtodo eficaz para la remocin o
reduccin de los sabores y olores debido a que muchas de las sustancias que
causan estas caractersticas indeseables no son suficientemente voltiles. Por
ejemplo, los aceites esenciales de las algas.
3. Manual de la Cepis. ASPECTOS FISICOQUMICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA. Captulo 1 Qum. Ada
Barrenechea Martel. Pgina 33 -34
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Generalidades del hierro 3
El hierro es un constituyente normal del organismo humano (forma parte de la
hemoglobina). Por lo general, sus sales no son txicas en las cantidades
comnmente encontradas en las aguas naturales.
Propiedades qumicas
El hierro es un elemento qumico de nmero atmico 26 situado en el grupo 8,
periodo 4 de la tabla peridica de los elementos. Su smbolo es Fe (del latn
frrum) y tiene una masa atmica de 55,6 u.
Este metal de transicin es el cuarto elemento ms abundante en la corteza
terrestre, representando un 5% y, entre los metales.
Categora: Compuestos de hierro
Los estados de oxidacin ms comunes son +2 y +3. Los xidos de
hierro ms conocidos son el xido de hierro (II),FeO, el xido de hierro
(III), Fe2O3, y el xido mixto Fe3O4.
Forma asimismo numerosas sales y complejos en estos estados de oxidacin.
Cuando el hierro se encuentra dentro de unos niveles normales, los
mecanismos antioxidantes del organismo pueden controlar este proceso.
La dosis letal de hierro en un nio de dos aos es de unos 3 g. 1 g puede
provocar un envenenamiento importante. El hierro en exceso se acumula en el
hgado y provoca daos en este rgano.
Los xidos de hierro son compuestos qumicos formados por hierro y oxgeno.
Se conocen 16 xidos de hierro. Estos compuestos son xidos (hematita,
magnetita, maghemita), o hidrxidos y oxihidrxidos (goetita, lepidocrocita,
akaganeta, feroxihita, FeOOH, FeO(OH) de alta presin, ferrihidrita, bernalita,
Fe(OH)2).
3. Manual de la Cepis. ASPECTOS FISICOQUMICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA. Captulo 1 Qum. Ada
Barrenechea Martel. Pgina 33 -34
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Algunos de estos xidos son utilizados en cermica, particularmente en
vidriados. Los xidos de hierro, como los xidos de otros metales, proveen el
color de algunos vidrios despus de ser calentados a altas temperaturas.
Tambin son usados como pigmento.
xidos de hierro16
xido de hierro (II) u xido ferroso (FeO). El polvo de xido ferroso
puede causar explosiones ya que literalmente entra en combustin.
xido de hierro (III) u xido frrico (Fe2O3). En su estado natural es
conocido como hematita. Tambin es purificado para su uso como
soporte de almacenamiento magntico en audio e informtica. Esta es la
forma de xido comnmente vista en hierros y estructuras de acero
oxidadas que ataca desde puentes hasta carroceras de automviles, la
cual es tremendamente destructiva.
xido de hierro (II, III) u xido ferroso frrico (Fe3O4). En su estado
natural es conocido como magnetita, un mineral de color negruzco que
constituye una de las fuentes principales de obtencin de hierro. Esta
forma de xido tiende a ocurrir cuando el hierro se oxida bajo el agua y
por eso es frecuente encontrarlo dentro de tanques o bajo la lnea de
flotacin de los barcos.
Hidrxidos de hierro
Hidrxido de hierro (II) Fe (OH)2. Es de color verduzco (green rusts)
Hidrxido de hierro (III) Fe (OH)3. Es de color marrn oscuro.
Oxihidrxido de hierro (III) FeO (OH). En su estado natural se conoce
como goetita. Es de color rojo amorronado. Tambin se lo encuentra
conformando los siguientes minerales: siderogel, limonita y feroxihita;
adems de existir una variante conocida como lepidocrocita.
16. Recopilado de internet en : http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/011938/011938-03.pdf
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IMPORTANCIA PARA EL SANITARISTA
La presencia de hierro puede afectar el sabor del agua, producir manchas
indelebles sobre los artefactos sanitarios y la ropa blanca. Tambin puede
formar depsitos en las redes de distribucin y causar obstrucciones, as como
alteraciones en la turbiedad y el color del agua.
Tiene gran influencia en el ciclo de los fosfatos, lo que hace que su importancia
sea muy grande desde el punto de vista biolgico. En la naturaleza se presenta
en dos formas: asimilable y no asimilable.
En las aguas superficiales, el hierro puede estar tambin en forma de complejos
organofrricos y, en casos raros, como sulfuros. Es frecuente que se presente
en forma coloidal en cantidades apreciables.
Las sales solubles de hierro son, por lo general, ferrosas (Fe II) y la especie
ms frecuente es el bicarbonato ferroso: Fe (HCO3)2.
Este metal en solucin contribuye con el desarrollo de microorganismos que
pueden formar depsitos molestos de xido frrico en la red de distribucin.
Por consideraciones de sabor y debido a que los tratamientos convencionales
pueden eliminar el hierro en estado frrico pero no el hierro soluble Fe (II), las
guas de calidad de la OMS y del Canad recomiendan que en las aguas
destinadas al consumo humano no se sobrepase 0,3 mg/L de hierro.
5. Fe y Mn. Romero Rojas, Jairo Alberto. 2da. edicin Editorial Alfa Omega . Mxico 1999.
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Generalidades del manganeso 5
El manganeso es un elemento esencial para la vida animal; funciona como un
activador enzimtico. Sin embargo, grandes dosis de manganeso en el
organismo pueden causar daos en el sistema nervioso central.
Su presencia no es comn en el agua, pero cuando se presenta, por lo general
est asociado al hierro. Comnmente se encuentra en el agua bajo su estado
reducido, Mn (II), y su exposicin al aire y al oxgeno disuelto lo transforma en
xidos hidratados menos solubles.
PROPIEDADES QUMICAS
Los estados de oxidacin ms bajos se encuentran en compuestos
carbonlicos. Para el manganeso el estado de oxidacin +2 es el ms estable,
frecuente y caracterstico. Todos los estados de oxidacin superiores son
agentes oxidantes energticos. Los estados de oxidacin +3 y +6 tienen
tendencia a la desproporcin.
Sus estados de oxidacin ms comunes son +2 , +3, +4, +6 y +7 , aunque se han
encontrado compuestos con todos los nmeros de oxidacin desde +1 a +7 los
compuestos en los que el manganeso presenta estado de oxidacin +7 son
agentes oxidantes muy enrgicos. Dentro de los sistemas biolgicos, el catin
Mn+2 compite frecuentemente con el Mg+2 . Se emplea sobre todo aleado con
hierro en aceros y en otras aleaciones.
El manganeso es elemento qumico, smbolo Mn, de nmero atmico 25 y peso
atmico 54.938, situado en el grupo 7 de la tabla peridica de los elementos y
se simboliza como Mn. Es uno de los metales de transicin del primer periodo
largo de la tabla peridica; se encuentra entre el cromo y el hierro.
5. Fe y Mn. Romero Rojas, Jairo Alberto. 2da. edicin Editorial Alfa Omega . Mxico 1999.
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Tiene propiedades en comn con ambos metales. Aunque poco conocido o
usado en su forma pura, reviste gran importancia prctica en la fabricacin de
acero.
Se encuentra como elemento libre en la naturaleza, a menudo en combinacin
con el hierro y en muchos minerales. Como elemento libre, el manganeso es un
metal con aleacin de metales industriales con importantes usos, sobre todo en
los aceros inoxidables.
El manganeso se oxida con facilidad en el aire para formar una capa castaa de
xido. Tambin lo hace a temperaturas elevadas. A este respecto su
comportamiento es ms parecido a su vecino de mayor nmero atmico en la
tabla peridica (el hierro), que al de menor nmero atmico, el cromo.
El fosfatado de manganeso15 se utiliza como tratamiento para la prevencin de
la oxidacin y corrosin del acero. Dependiendo de su estado de oxidacin, los
iones de manganeso tienen colores diferentes y se utilizan industrialmente
como pigmentos. Los permanganatos alcalinos y de metales alcalinotrreos son
oxidantes poderosos. El dixido de manganeso se utiliza como ctodo.
Los iones de manganeso funcionan como cofactores de una serie de enzimas
en los organismos superiores, donde son esenciales en la desintoxicacin de
los radicales libres de superxido. El elemento es una huella que requiere
mineral para todos los seres vivos conocidos. En cantidades mayores, y al
parecer con una actividad mucho mayor por la inhalacin, el manganeso puede
causar un sndrome de intoxicacin en los mamferos, con daos neurolgicos
que a veces son irreversibles.
El manganeso es un metal de transicin blanco grisceo, parecido al hierro. Es
un metal duro y muy frgil, refractario y fcilmente oxidable. El manganeso
metal puede ser ferromagntico, pero slo despus de sufrir un tratamiento
especial.
15. http://www.lenntech.es/periodica/elementos/mn.htm#ixzz12aUZUBIh
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xido de manganeso.
El permanganato de potasio, KMnO4, es un reactivo de laboratorio muy comn
debido a sus propiedades oxidantes.
El dixido de manganeso, MnO2 se emplea como despolarizador en pilas
secas. Tambin se puede usar para decolorar vidrio que presente color verde
debido a la presencia de trazas de hierro. Este xido tambin se emplea para
dar color amatista al vidrio, y es responsable del color de la amatista (una
variedad del cuarzo). Adems, se utiliza en la produccin de cloro y oxgeno.
Algunas monedas de Aluminio contienen Manganeso como aleacin.
Precauciones
El manganeso es un elemento esencial, siendo necesario un aporte de entre 1
a 5 mg por da, cantidad que se consigue a travs de los alimentos.
El manganeso en exceso es txico. Exposiciones prolongadas a compuestos de
manganeso, de forma inhalada u oral, pueden provocar efectos adversos en el
sistema nervioso, respiratorio, y otros.
El permanganato de potasio, KMnO4, es corrosivo.
Efectos del manganeso sobre la salud 8
El Manganeso es un elemento esencial para la salud de los humanos la falta de
este, puede tambin causar efectos sobre la salud. Estos son los siguientes
efectos:
Engordar
Intolerancia a la glucosa
Cogulos de sangre
Problemas de la piel
Bajos niveles de colesterol
8. Gua para la calidad del agua potable Volumen 2 . Criterios relativos a la salud y OPS. Organization Panamericana de
la Salud Vol 2 1987. Pgina 288.
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Desorden del esqueleto
Defectos de nacimiento
Cambios en el color del pelo
Sntomas neurolgicos
Los efectos del manganeso mayormente ocurren en el tracto respiratorio y el
cerebro. Los sntomas por envenenamiento con Manganeso son alucinaciones,
olvidos y daos en los nervios. El manganeso puede causar parkinson, embolia
de los pulmones y bronquitis.
Cuando los hombres se exponen al manganeso por un largo periodo de tiempo
el dao puede llegar a ser importante.
Un sndrome que es causado por el manganeso tiene los siguientes sntomas:
esquizofrenia, depresin, debilidad de msculos, dolor de cabeza e insomnio.
Efectos ambientales del manganeso 8
Los humanos aumentan las concentraciones de manganeso en el aire por las
actividades industriales y a travs de la quema de productos fsiles. El
Manganeso que deriva de las fuentes humanas puede tambin entrar en la
superficie del agua, aguas subterrneas y aguas residuales. A travs de la
aplicacin del Manganeso como pesticida el Manganeso entrar en el suelo.
Para los animales el Manganeso es un componente esencial sobre unas 36
enzimas que son usadas para el metabolismo de carbohidratos, protenas y
grasas.
8. Gua para la calidad del agua potable Volumen 2 . Criterios relativos a la salud y OPS. Organization Panamericana de
la Salud Vol 2 1987. Pgina 288.
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IMPORTANCIA PARA EL SANITARISTA 5
En concentraciones mayores a 0,15 mg/L, las sales disueltas de manganeso
pueden impartir un sabor desagradable al agua.
La presencia de manganeso en el agua provoca el desarrollo de ciertas
bacterias que forman depsitos insolubles de estas sales, debido a que se
convierte, por oxidacin, de manganeso en solucin al estado mangnico en el
precipitado. Esta accin es similar en el hierro.
Las guas de calidad para aguas de consumo humano de la OMS establecen
como valor provisional 0,5 mg/L, pero las Guas de Calidad para Agua de
Bebida del Canad recomiendan una concentracin diez veces menor: 0,05
mg/L, por consideraciones principalmente relacionadas con el sabor y el olor del
agua.
5. Fe y Mn. Romero Rojas, Jairo Alberto. 2da. edicin Editorial Alfa Omega . Mxico 1999.
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EL AGUA 11
El agua es un solvente universal, debido a que es capaz de
disolver o dispersar la mayora de sustancias con las que tiene contacto, sean
estas slidas, lquidas o gaseosas, y de formar con ellas iones, complejos
solubles e insolubles, coloides o simplemente partculas dispersas de diferente
tamao y peso.
Agua potable 11: Se conoce con este nombre al agua que ha sido tratada con el
objetivo de hacerla apta para el consumo humano, teniendo en cuenta todos
sus usos domsticos.
pH: El pH influye en algunos fenmenos que ocurren en el agua, como la
corrosin y las incrustaciones en las redes de distribucin. Aunque podra
decirse que no tiene efectos directos sobre la salud, s puede influir en los
procesos de tratamiento del agua, como la coagulacin y la desinfeccin.
Por lo general, las aguas naturales (no contaminadas) exhiben un pH en el
rango de 5 a 9.
a) Aguas subterrneas11
La mayor parte del agua subterrnea se origina del agua de lluvia infiltrada
hasta los acuferos despus de fluir a travs del subsuelo. Durante la
infiltracin, el agua puede cargar muchas impurezas; tales como, partculas
orgnicas e inorgnicas, residuos de plantas y animales, microorganismos,
pesticidas, fertilizantes, etc. Sin embargo, durante su recorrido por el subsuelo
mejora significativamente su calidad: las partculas suspendidas y
microorganismos se retienen por filtracin natural y las sustancias orgnicas se
degradan por oxidacin. Por otro lado, las sales disueltas, causantes de
problemas como dureza y salinidad, no se remueven e incluso, se pueden
incrementar considerablemente por la disolucin de minerales del subsuelo.
Otras sustancias o elementos frecuentemente presentes en las aguas
subterrneas son: sulfatos, nitratos, hierro y manganeso, arsnico y flor.
11. Manual 1 de la Cepis, El agua Calidad y Tratamiento para consumo humano. Ing. Prez Carrin, Jos. Pgina.
43-44 Jun 1992.
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En muchos casos el agua es de buena calidad y puede usarse y beber
directamente sin tratamiento, aunque siempre es preferible la desinfeccin
como barrera de seguridad para prevenir contaminacin durante el manejo del
agua. Las aguas de pozos pueden contener contaminacin microbiolgica
proveniente de letrinas cercanas, tanques spticos, pastoreo de ganado o
contaminacin de sustancias orgnicas sintticas de productos agroqumicos.
b) Aguas superficiales11
Las fuentes de agua superficiales son los ros, arroyos, lagos y presas. Su
origen puede ser el agua subterrnea que aflora a la superficie a travs de
manantiales o el agua de lluvia que fluye sobre la superficie del terreno hacia
los cuerpos receptores. Si el agua superficial tiene su origen en el subsuelo,
sta contendr slidos disueltos; el agua que escurre por la superficie
contribuye a la contaminacin de los ros o lagos principalmente con turbiedad y
materia orgnica (como sustancias hmica que dan color al agua), as como
con microorganismos patgenos.
Los ros y arroyos se caracterizan por tener rpidos cambios de calidad.
Durante la poca de lluvias se presentan incrementos en la turbiedad y otras
sustancias orgnicas e inorgnicas debido al lavado y arrastre de los suelos. En
lagos y embalses, el cambio estacional en la calidad del agua es gradual y
menos drstico que en los ros. En los meses de verano el agua se estratifica
creando condiciones anxicas y reductivas en el fondo del embalse que
ocasiona la solubilizacin del hierro y el manganeso, en caso de estar
presentes en los sedimentos, creando problemas de color y sabor. Las capas
superiores son susceptibles de presentar un alto crecimiento de algas cuando
las condiciones de nutrientes y temperatura son favorables (eutroficacin).
Hasta el momento no se conocen efectos nocivos para la salud de estos
elementos, sin embargo, las concentraciones elevadas de manganeso pueden
acelerar el crecimiento biolgico en los sistemas de distribucin y contribuir a
los problemas de sabor y olor en el agua, as mismo aumentan la demanda de
cloro u otros oxidantes aplicados en la desinfeccin.
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Rocas gneas14 gneos significa hechos del fuego o del calor. Cuando los volcanes entran en
erupcin y la roca lquida viene hasta la superficie de la tierra, se crea la nueva
roca gnea. Cuando la roca es lquida dentro de la tierra, se llama magma.
Cuando el magma se endurece dentro de la corteza, se convierte en el granito.
La mayora de las montaas estn formadas de granito. Se enfran muy
lentamente y es muy duro.
Minerales y elementos qumicos:
Las rocas gneas estn compuestas fundamentalmente por silicatos, los cuales
estn constituidos mayoritariamente por silicio (Si) y oxgeno (O). Estos dos
elementos, junto con el aluminio (Al), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K),
magnesio (Mg) y hierro (Fe), constituyen ms del 98% en peso de la mayora de
los magmas que al solidificarse forman las rocas gneas. Adems los magmas
contienen pequeas cantidades de muchos otros elementos como azufre (S),
oro (Au), plata (Ag) uranio (U), tierras raras, gases en disolucin, etc.
La arcilla est constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratado,
procedente de la descomposicin de minerales de aluminio. Presenta diversas
coloraciones segn las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura.
Surge de la descomposicin de rocas que contienen feldespato, originada en un
proceso natural que dura decenas de miles de aos.
Fsicamente se considera un coloide, de partculas extremadamente pequeas
y superficie lisa. El dimetro de las partculas de la arcilla es inferior a 0,002
mm. En la fraccin textura arcilla puede haber partculas no minerales, los
fitolitos. Qumicamente es un silicato hidratado de almina, cuya frmula es:
Al2O3 2SiO2 H2O.
Piedra Pmez: El origen volcnico le dio ciertas caractersticas a la piedra
pmez: una multitud de poros y clulas cerradas dan por resultado una
porosidad con una solidez de grano al mismo tiempo. Si porosidad le permite
absorber y retener el agua, adems de hacerla ligera y otorgarle condiciones
particulares, especialmente para el filtrado de productos de elaboracin
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industrial. La piedra pmez es tan suave que puede ser tallada, torneada y
grabada con gran facilidad. Su color blanco le da una gran vistosidad, siendo
tambin til para la decoracin. Debido a su ligereza puede flotar sobre las
aguas a causa del aire contenido en sus cavidades. Aparte de eso la piedra
pmez es resistente al fro, al fuego y a la intemperie y libre de sales solubles
en agua. Las partculas de esta roca volcnica, poseen variadas formas
predominando las alargadas y las angulosas. Sus poros cerrados le confieren
una baja densidad, por lo que el comportamiento al impacto es muy ligero.
Aunque es de dureza media, debido a su alta friabilidad el poder abrasivo es
muy bajo, produciendo un efecto muy suave sobre la superficie trabajada.
Compuesto de trixido de slice y trixido de aluminio, entre otros componentes:
71% de SiO2, 12.8% de Al2O3, 1.75% de Fe2O3, 1.36% de CaO, 3.23% de
Na2O, 3.83% de K2, 3.88% de H2O.
Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y tambin
sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800 C. La arcilla endurecida
mediante la accin del fuego fue la primera cermica elaborada por el hombre,
y an es uno de los materiales ms baratos y de uso ms amplio. Ladrillos,
utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la
ocarina son elaborados con arcilla. Tambin se la utiliza en muchos procesos
industriales, tales como la elaboracin de papel, produccin de cemento y
procesos qumicos.
14.http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/casado/GEORED/Endogenas/igneas.htm
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Granulometra16
Dentro de la clasificacin granulomtrica de las partculas del suelo, las rocas utilizadas ocupan el siguiente lugar:
TABLA I. GRANULOMETRA
Partcula Tamao
Arcillas < 0,002 mm
Piedra pmez 0,002-0,06 Mm
Arenas 0,06-2 Mm
Gravas, 2 Mm-6 cm
Cantos rodados rocas gneas, Volcnicas 6-25 cm
Bloques >25 cm
16. Recopilado de Internet en: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/011938/011938-03.pdf
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Remocin de hierro y manganeso 6
La remocin del hierro de las aguas crudas superficiales es relativamente fcil
removerla con los procesos comunes de remocin de la turbiedad, mediante los
cuales su concentracin puede bajar de 10 mg/L a 0,3 mg/L, que es la
concentracin recomendada para el agua de consumo. Sin embargo, es posible
que haya problemas si el hierro est presente en complejos orgnicos
inestables. Por lo general, en el agua es ms difcil de controlar el manganeso
que el hierro.
Su remocin se realiza formando sales insolubles, para lo cual, en muchos
casos, es necesario el uso de oxidantes y un pH alto. Es necesario elevar el pH
de 8,5 a 10,0, pero la precipitacin es mejor cuando la aeracin est
acompaada por un contacto de dixido de manganeso o un lecho de mineral
de pirolusita.
Cuando se remueve el hierro y el manganeso, estos se pueden acumular en los
sistemas de distribucin, transmitir sabor y olor al agua, darle color, interferir en
la determinacin del residual de cloro y provocar manchas en la ropa y en los
sanitarios.
El Fe+2 y el Mn+2 son formas solubles invisibles existentes en medios
reductores, es decir carentes de OD y con un pH bajo, como pueden serlo las
aguas subterrneas y el hipolimnio anaerobio de lagos estratificados y en
algunos casos aguas provenientes de algunos ros y embalses.
El Fe existe en suelos y minerales principalmente como Fe+2O3 insoluble,
Fe+2S2 (Pirita) y Fe+2CO3-2 (Siderita) que es muy poco soluble.
6. Sawey Clair N. / McCarty, Perry L. Chemistry for sanitary Engineers. McGraw Hill Book Company.
Second Edition. Kogakusha company. LTd Tokio 1967.
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Las aguas subterrneas contienen cantidades apreciables de CO2 producidas
por la oxidacin bacteriana de la materia orgnica con la cual el agua entra en
contacto y se puede disolver Fe+2CO3-2 a travs de la reaccin qumica:
Fe+2CO3-2 + CO2-2 + H2O Fe+2 + 2HCO3-1 (1)
Los problemas del Fe predominan cuando ste est presente en el suelo como
compuestos Fe+3 insolubles que bajo condiciones reductoras anaerobias el
Fe+3 es reducido a Fe+2 sin dificultad.
Si existe OD en el agua la solucin del Fe del suelo al agua no se lleva a cabo,
an en presencia de CO2.
El Mn existe en el suelo como MnO2, el cual es muy insoluble en aguas que
contienen CO2. Bajo condiciones anaerbicas, el Mn en la forma de Bixido es
reducido de una valencia de +4 a una de +2, tal como sucede con el Fe.
Los hechos que indican que el Fe y Mn entran en solucin en el agua, mediante
cambios producidos por las condiciones ambientales por accin biolgica son:
Las aguas subterrneas que contienen cantidades apreciables de Fe y Mn
carecen siempre de OD y poseen un alto contenido de CO2. El alto contenido
de CO2 indica que ha existido oxidacin bacterial de la materia orgnica.
Los pozos que producen agua de buena calidad, con bajo contenido de Fe y
Mn, deterioran su calidad cuando se han descargado residuos orgnicos
sobre el suelo, alrededor del pozo y se generan condiciones anaerobias.
En embalses y lagos, el problema del Fe y Mn ocurre cuando se desarrollan
condiciones anaerobias en el hipolimnio. Al presentarse el volcamiento
(volteo) o mezcla de las aguas superficiales y profundas, el Fe y Mn se
distribuye en todo el embalse y el lago, por lo que hay que esperar un tiempo
adecuado para la oxidacin y sedimentacin del Fe y Mn en condiciones
naturales.
6. Sawey Clair N. / McCarty, Perry L. Chemistry for sanitary Engineers. McGraw Hill Book Company.
Second Edition. Kogakusha company. LTd Tokio 1967.
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El Mn+4 y Fe+3 son las nicas formas estables del Mn y Fe en aguas que
contienen oxgeno y en condiciones reductoras anaerobias el Mn +2 y Fe+2.
El Fe y Mn insolubles son reducidos a sus formas solubles en condiciones
anaerobias, lo cual es esencial para que se disuelvan en el agua.
OTROS MTODOS DE REMOCIN: 6
1. Aeracin u oxidacin qumica - filtracin por arena o arena y
antracita.
Para una concentracin mayor de 5 mg/L es necesario un tanque de
contacto de 20 a 30 min. de retencin, y en el caso de concentraciones
mayores de 10 mg/L de Fe el tren se completa con unidades de floculacin y
sedimentacin donde adems de coagulante (alternativo), se requiere
Ca(OH) o NaOH para el ajuste de pH, en su caso. En la prctica, los
agentes oxidantes se introducen en un punto cercano a la fuente, con el fin
de asegurar mayor tiempo de contacto.
2. Tratamiento convencional combinado con ablandamiento.
Aplicable slo para agua con alta dureza, donde la remocin de Fe y Mn es
un efecto secundario. En el proceso de ablandamiento del agua se logra
remover parte de Fe y el Mn por la con precipitacin con la cal, acelerando
la oxidacin del Fe y el Mn por el aumento del pH.
3. Estabilizacin por secuestro.
Limitado a concentraciones de Fe hasta 0.5 mg/L, puesto que la tcnica no
lo remueve, slo evita el efecto de su precipitacin y la coloracin del agua.
4. Intercambio inico operando a ciclo de Na.
Con lo que se logra la remocin total del Fe(II) y Mn(II) relacionado con un
aumento de la concentracin de sodio y a la interrupcin frecuente del
proceso para la regeneracin de la resina. Como resina de intercambio se
utilizan zeolitas sintticas, pero su uso en la prctica ha sido limitado por la
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selectividad al Ca y otros iones de mayor valencia, presentes comnmente
en agua, y con los que el hierro y el manganeso tienen que competir
desfavorablemente. En esta tcnica de remocin de Fe y Mn no aplicar
oxidantes al efluente de la resina, puesto que los precipitados Fe(OH) o
MnO saturan el medio.
5. Filtracin por Greensand.
Recomendable para concentraciones de Fe
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Los filtros convencionales de arena no garantizan la remocin requerida del
hierro y manganeso, cuyos xidos/hidrxidos atraviesan el filtro y rpidamente
llegan a su propio "punto de quiebre" en el efluente. Por lo general, la remocin
de manganeso es mucho ms complicada que la del hierro, incluso cuando
correspondientes a los se garantiza su oxidacin completa. Los xidos
(MnOx(s) diversos estados de oxidacin del Mn(II), son an ms difciles de
capturar en el filtro sin agregar coagulantes y/o floculantes antes del proceso.
Mtodos de aeracin 15
La aireacin se efecta mediante cadas de agua en escaleras, cascadas,
chorros y tambin aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersin o
burbujeo.
Se usa en la remocin de hierro y manganeso, as como tambin de anhdrido
carbnico, cido sulfhdrico y sustancias voltiles, para controlar la corrosin y
olores. En la aeracin, el hierro se puede oxidar, pero en la remocin del
manganeso, la aeracin sola no es suficiente.
Entre los procesos o mtodos de remocin de hierro y manganeso tenemos:
1. Aireacin
2. Aireacin y cloracin
3. Oxidacin con KMnO4
4. Proceso con zeolita de manganeso y KMnO4
1 Aireacinfiltracin
El proceso de aireacin-filtracin se recomienda para agua con alta
concentracin de hierro (mayor de 5 mg/L) con el fin de disminuir los costos en
reactivos. El equipo usado en este proceso incluye comnmente un aireador, un
tanque de retencin y filtros. El oxgeno de la atmsfera reacciona con las
formas solubles de hierro y manganeso ( Fe+2 y Mn+2) del agua cruda para
producir xidos relativamente insolubles ( Fe+3 y Mn+4) de estos elementos. La
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velocidad de reaccin depende del pH de la solucin, siendo ms rpida a
valores de pH altos. Ya que el manganeso tiene una velocidad de oxidacin
muy lenta va el O2 (ac) esta tcnica no es muy efectiva para la remocin de Mn +2, excepto a valores de pH mayores de 9,5. Para disminuir las concentraciones
de manganeso al nivel deseado se requieren frecuentemente un tiempo de
reaccin y un tratamiento qumico adicionales.
Dependiendo de las caractersticas del agua cruda puede ser necesario un
tiempo de reaccin hasta de algunas horas despus de la aireacin. Si las
concentraciones de hierro y manganeso total son altas, algunas veces se usan
tanques de sedimentacin con dispositivos de coleccin y remocin de lodos en
vez de tanques de retencin simples. Las principales desventajas del proceso
de aireacin-filtracin son el costo inicial alto, y el requerimiento de un tiempo
de retencin y tratamiento qumico adicionales si la concentracin de Mn
soluble del agua a tratar es mayor a 1 mg/L.
Oxgeno
En contacto con el oxgeno disuelto en el agua, las sales ferrosas se convierten
en frricas por oxidacin y se precipitan en forma de hidrxido frrico. Esta
precipitacin es inmediata con un pH superior a 7,5. Con un pH mayor de 2,2, el
hidrxido frrico es insoluble. El in ferroso lo es con un pH mayor de 6. De
acuerdo con ello, las aguas subterrneas, que por estar fuera del contacto con
el aire, se encuentran en un medio natural fuertemente reductor podrn tener
en solucin cantidades notables de hierro ferroso.
Aireadores de cascada: El principio general consiste en esparcir el agua al
mximo y dejarla correr sobre obstculos para producir turbulencia. La
estructura ms simple es la de escaleras, las cuales esparcen el agua y
permiten la cada de un nivel a otro.
Sawey Clair N. / McCarty, Perry L. Chemistry for sanitary Engineers. McGraw Hill Book Company. Second
Edition. Kogakusha company. LTd Tokio 1967.
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REMOCIN DEL Fe y Mn POR AIREACIN
La oxidacin del Fe y Mn por aireacin se representa as:
Fe+2 + O2-2 FeO2 (2)
Fe soluble Fe insoluble
Mn+2 + O2-2 MnO2 (3)
Mn soluble Mn insoluble
Tambin se puede representar as:
4 Fe+2 + O2-2 + 4H+ 4 Fe+3 + 2H2O (4)
Fe+3 + 3OH-1 Fe(OH) 3 (5)
Este proceso es lento, si Fe es alto y el pH> 7.5 U la reaccin se ve
limitada por la baja transferencia de oxgeno a la solucin, aunque la remocin
se ve favorecida, ya que para un pH entre 5 y 11 U el Fe(OH)3 es insoluble. El
Mn no se remueve.
Reacciones del sulfato ferroso 15:
FeSO4 + Ca(HCO3)-2 CaSO4 + CO2
(6)
En aguas aireadas, el hidrxido ferroso se oxida a hidrxido frrico.
2FeSO4 + Cl2 + 3Ca (HC03)2 2Fe (0H)3 + 2 CaS04 + CaCl 2 + 6 C02
(7)
2 Oxidacin-Filtracin
El proceso de oxidacin-filtracin consiste normalmente de un sistema de
dosificacin de productos qumicos y filtros. Algunas veces se requiere un
tanque de retencin y un sistema de ajuste de pH con hidrxido de sodio
(NaOH), hidrxido de calcio o cal hidratada Ca(OH)2 o carbonato de sodio
(Na2CO3). Este proceso opera a pH mayor o igual a 8.4; pero se tienen
- 38 -
deficiencias en el proceso de filtracin por la formacin de precipitados
coloidales que pasan a travs del filtro. Como agentes oxidantes pueden
usarse:
Cloro
El cloro, oxidante poderoso, es, sin duda alguna, el desinfectante ms
importante que existe, debido a que rene todas las ventajas requeridas,
incluyendo su fcil dosificacin y costo conveniente.
La coagulacin convencional mediante el sulfato de aluminio, especialmente
cuando se practica la precloracin, remueve el fierro y el manganeso.
Oxidacin de los iones solubles de Fe+2 y Mn+2, por aireacin.
4 Fe+2 + O2(g) + 10 H2O 4 Fe(OH)3 (S) + 8 H+ (8)
2 Mn+2 + O2(g) + 2 H2O 2 MnO2 (S) + 4 H+ (9)
Oxidacin de los iones solubles de Fe+2 y Mn+2, por permanganato de potasio
4 Fe+2 + O2(g) + 10 H2O 4 Fe(OH)3 (s) + 8 H+ (10)
3 Fe+2 + KMnO4 + 7 H2O 3 Fe(OH)3 (s) + MnO2 (S) + K+ + 5H+
(11)
2 Fe+2 + Cl2 + 6 H2O 2 Fe(OH)3 (s) + 2 Cl- + 6 H+
(12)
15. Manual III de la cepis. Teora coagulacin. Ing. Richter, Carlos, Julio 1992. Pg. 19.
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Oxidacin de los iones solubles de Fe+2 y Mn+2, con cloro
2 Mn+2 + O2(g) + 2 H2O 2MnO2 (S) + 4 H+ (13)
3 Mn+2 + 2 KMnO4 + 2 H2O 5 MnO2 (S) + 2 K+ + 4 H+ (14)
Mn+2 + Cl2 + 2 H2O MnO2 (S) + 2 Cl- + 4 H+ (15)
Figura 2. Cintica de la reaccin
IMPORTANCIA SANITARIA DEL Fe y Mn 4
La tasa de oxidacin del Fe y Mn es lenta y por ellos la forma soluble persiste
por algn tiempo en aguas aireadas, esto es vlido para el Fe cuando el pH < 6
U y en el Mn el pH < 9 U. Al ponerse en contacto el agua subterrnea con el
are da las siguientes reacciones:
4Fe+2 + 8HCO3-1 + 2H2O + O2 4Fe(OH) 3 + 8CO2 (16)
2Mn+2 + 4HCO3-1 + 2H2O + O2 2Mn(OH) 4 + 4CO2 (17)
Si no hay un tratamiento adecuado para remover el Fe y Mn, stos interfieren
en las operaciones de lavado e imparten tinciones indeseables en la ropa, en
los artefactos sanitarios, en los accesorios de plomera, producen
incrustaciones en las tuberas y dificultades en los sistemas de distribucin.
El Fe soluble promueve el crecimiento de bacterias autotrficas en los sistemas
de distribucin, las cuales oxidan el Fe de ferroso a frrico, formando lamas de
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color rojizo y el Mn de color gris a azul oscuro o negro dependiendo de la
concentracin.
Cuando las bacterias mueren y se descomponen, impregnan de malos olores y
sabores al agua. El Fe y Mn inclusive en bajas concentraciones, imparten
sabores metlicos a la misma.
Cuando el contenido de Fe en el agua es alto, el cido tnico del t y del caf
se pueden combinar con el Fe y ennegrecen la bebida, por lo que el caf se
hace desagradable al paladar si el contenido de Fe es mayor de 1 mgL.
El hierro y el manganeso afectan no solamente la calidad de agua, sino provocan
tambin una serie de problemas de operacin y mantenimiento en todo el
sistema de abastecimiento por formar depsitos en la red de distribucin y/o
corrosin de las partes metlicas integrantes del sistema de abastecimiento.
TABLA II
Norma Guatemalteca Obligatoria NGO10
29005:99
Caracterstica Lmite mnimo aceptable
miligramos /L
Lmite mximo permisible
miligramos/ Litro
HIERRO 0.1 1
MANGANESO 0.05 0.5 Fuente: Norma Guatemalteca obligatoria 10.Norma Guatemalteca, obligatoria. Agua para consumo humano.
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6. METODOLOGA
Diseo de la investigacin: Se utilizar un diseo experimental en la que las
condiciones y variables se establecen en una situacin y condiciones definidas
para la remocin de hierro y manganeso.
Plan de la investigacin: El plan incluir actividades que tienden a encontrar la
respuesta a la hiptesis de investigacin, entre ellas:
Pruebas fisicoqumicas, que responden al anlisis de remocin del
Hierro y Manganeso por oxidacin en contacto con diversos medios
filtrantes.
El muestreo se tomar en tiempos definidos de dos o tres horas, tiempos
que se incrementarn o reducirn, de acuerdo a los resultados de
remocin de hierro y manganeso que se vayan obteniendo en el agua
aireada con las diferentes medios de contacto que se utilizarn,
incluyendo una corrida en contacto solo con el aire.
Estrategia: Comprende los muestreos necesarios, para evaluar tiempos de
aereacin para la remocin de hierro y manganeso con los medios de contacto,
piedra volcnica, piedra pmez, arcilla y solo con aire. Se utilizar la tcnica
medicin de contenido de hierro y manganeso por medio de espectofotometria.
Muestreo: Los diversos sistemas de aireacin tuvieron la misma posibilidad de
ser muestreados, sin embargo se redujo el tiempo de muestreo en el proceso
de aireacin del agua con concentracin de hierro y manganeso en contacto
con piedra volcnica, luego de determinar la reduccin del 100% del
manganeso a las 3 hrs. de aireacin.
Instrumentos de medicin: Reactivos qumicos para determinacin de fe y
manganeso, a travs de espectrofotometra.
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Variables a medir: Contenido de Hierro, Contenido de Manganeso, Tiempos de
aireacin, todas las variables anteriores, sometidas a 4 medios de contacto
diferente. (piedra pmez, arcilla, y piedra volcnica y sin ningn medio de
contacto.
DETERMINACIN DE MANGANESO HR. (0 A 20.0 mg/l) Alto Rango
INSTRUMENTOS
1 Aparato
2 Clulas de vidrio
1 Bolsita de tampn tipo citrato
1 Bolsita de periodato sdico
Procedimiento
1. Introducir el numero del programa almacenado para manganeso (mn)
reactivo en polvo, presionar 295 read enter.
2. El display mostrara poner nm a 525
3. Girar la perilla a un lado del aparato hasta que la pantalla muestre 525
nm
4. Presionar read enter, la pantalla mostrara mg/l mn h
5. Llenar una clula con 25 ml de la muestra de agua a analizar
6. Aadir el contenido de una bolsita de tampn tipo citrato, agitar para
mezclar
7. Aadir una bolsita de periodato sodico a la clula de la muestra (muestra
preparada), agitar y mezclar. reposar durante 2 min., en presencia de
manganeso aparecer un color violeta.
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8. Llenar otra clula con 25 ml de la muestra (blanco)
9. Colocarla en el porta clulas y cerrar la tapa (blanco)
10. Presionar zero, esperar hasta que la pantalla marque 0.0 mg/l mn h
11. Antes de 8 minutos del periodo de reaccin de la muestra preparada,
colocar la clula en el aparato y cerrar la tapa.
12. Presionar read enter, esperar y la pantalla mostrara el resultado en mg/l
mn
FE HIERRO TOTAL
USANDO AMPOLLAS DE ACCUVAC
1. Introduzca el nmero de programa para hierro (Fe), ampollas AccuVac.
Pulse 265 READ/ENTER El display indicar poner nm a 510.
Nota: O use la flecha hacia arriba y abajo para poner el display en 265 mg/Fe fV
AV y pulse: READ/ENTER. Si las muestras no pueden ser analizadas
inmediatamente, deje muestreo y almacenaje, ms abajo . Ajuste el pH de las
muestras almacenadas antes de analizar.
2. Gire el dial de la longitud de onda hasta que el pequeo display indique
510 nm Nota. La determinacin del hierro total necesita una digestin
previa use digestin suave, fuerte o digesdahl (seccin I).
3. Pulse READ/Enter El display indicara mg/L Fe FV AV
4. Llene un vial de cero (el blanco) con 10 ml de muestra por lo menos.
Recoja al menos 40 ml de muestra en un vaso de 50 ml. Nota: para
realizar una prueba de la exactitud use una solucin estndar de hierro
de 1.0 mg/L (preparacin dada en la prueba de exactitud) en lugar de la
muestra.
- 44 -
5. El mtodo ms comn y utilizado en el estudio fue para muestras de
25ml:
6. En una celda se colocaron 25 ml de la muestra. Al contenido de la celda
se le aadi una bolsita de polvo Hierro FerroVer y se movi a modo de
disolver el reactivo.
7. Se coloc otros 25 ml en otra celda, como blanco. Despus de 3 minutos
se realiz la prueba colocando en el espectrmetro la celda de blanco
para la comparacin; presionando cero, y luego se evidenci la lectura
de la muestra.
Importancia
Pequeas cantidades de hierro por lo regular se encuentran en el agua debido
a la gran cantidad de hierro presente en la tierra y porque el agua corrosiva
recoge hierro de las tuberas. La ropa lavada en agua que contiene exceso de
hierro se puede manchar un color marrn. El sabor de bebidas, tales como el
caf y el t tambin pueden ser afectadas por el hierro. El manganeso produce
un color marrn en ropa lavada, dejando partculas negras en accesorios de
plomera como con hierro, afecta el sabor de bebidas, incluyendo el caf y t.
PROCEDIMIENTOS
El principio general consiste en esparcir el agua al mximo y dejarla correr
sobre obstculos para producir turbulencia. La estructura ms simple es la de
escaleras, las cuales esparcen el agua y permiten la cada de un nivel a otro.
Elaboracin del sistema de aeracin tipo cascada.
1. Construir una estructura tipo escalera, un sistema tipo cascada, con
cinco escalones con distancias y altura definida en el presente plano; en
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la cuales se dejar caer agua a contenedores que contendrn medio de
contacto para probocar mayor turbulencia y aireacin.
2. Colocar al sistema tubera para alimentacin del agua en la que se
permita recircular y provocar mayor turbulencia para una mejor aireacin,
a partir de una bomba.
3. Colocar en cada contenedor un medio filtrante, como piedra volcnica,
piedra pmez y arcilla.
4. Disponer de una bomba de succin, para airear el agua con Fe y Mn,
sobre el medio filtrante.
5. Tomar lecturas de Fe y Mn, a diferentes tiempos de aireacin: iniciar a
cada 2 hrs. de aireacin, incrementar o reducir segn resultados en la
remocin de hierro y manganeso, para definir coeficientes de oxidacin.
6. Realizar lavado del sistema entre cada muestreo, teniendo cuidado de
terminar el lavado recirculando agua con fe y Mn, para evitar falsos
resultados.
7. Hacer comparaciones de resultados.
8. Repetir los pasos anteriores para hacer las pruebas en triplicado y
concluir con base a resultados promediados.
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Figura 3. Diseo de la cascada. (dimensiones en m)
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Figura 4. Sistema de aireacin por gravedad tipo cascada.
Sistema de re-circulacin mecnica
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PARMETROS DE DISEO DE LA CASCADA DE OXIGENACIN.
TABLA III
Velocidad inicial en la cascada se puede
considerar cero. Vo. = 0
Altura del escaln 0.355m
Altura de la cascada 2.635 m
Tiempo de cada th
