Eliminación química del fósforo

La eliminación química del fósforo es un método de tratamiento de aguas residuales, en el que el fósforo se elimina utilizando sales de aluminio (por ejemplo, alumbre o cloruro de polialuminio), hierro (por ejemplo, cloruro férrico ) o calcio (por ejemplo, cal). El fosfato forma precipitados con los iones metálicos y se elimina junto con el lodo en la unidad de separación ( tanque de sedimentación , tanque de flotación , etc.). [1]

Tratamiento con sulfato de aluminio para reducir el contenido de fósforo en los lagos

Un método de remediación de la eutrofización es la aplicación de sulfato de aluminio , una sal que se utiliza habitualmente en el proceso de coagulación del tratamiento del agua potable . Se ha descubierto que el sulfato de aluminio, o “alumbre”, como se lo conoce comúnmente, es una herramienta eficaz para la gestión de lagos al reducir la carga de fósforo . [2]

Muestra de sedimento extraída de un lago de Minnesota. Los flóculos de sulfato de aluminio se representan como grumos blancos cerca de la superficie del sedimento.

El alumbre se aplicó por primera vez en 1968 en un lago de Suecia. [2] Su primera aplicación en un lago estadounidense se produjo en 1970. [3] En la actualidad, el alumbre se ha utilizado con mayor eficacia y comprensión. En un estudio a gran escala, se controlaron 114 lagos para determinar la eficacia del alumbre en la reducción del fósforo. En todos los lagos, el alumbre redujo eficazmente el fósforo durante 11 años. Si bien hubo variación en la longevidad (21 años en lagos profundos y 5,7 años en lagos poco profundos), los resultados expresan la eficacia del alumbre para controlar el fósforo en los lagos. [4]

Mecanismo

El tratamiento con alumbre comienza con la adición de sal de sulfato de aluminio a un cuerpo de agua. Una vez agregada, la sal se disuelve y se disocia, introduciendo iones Al(III) al agua. Los iones de aluminio participan en una serie de reacciones de hidrólisis , formando diferentes especies de aluminio en distintos rangos de pH . A medida que se agrega más sulfato de aluminio, el pH del agua disminuye. A un pH más alto, está presente la especie soluble Al(OH) 4 − . En rangos de pH neutros (6-8), se produce el hidróxido de aluminio insoluble (Al(OH) 3 ). A medida que el pH disminuye aún más, el ion Al(III) permanece presente. [2]

Mantener un pH óptimo es importante para la eliminación del fósforo del agua. El fósforo se elimina de forma más eficaz en el rango de pH neutro, cuando está presente el hidróxido de aluminio insoluble. Este hidróxido funciona como un ácido de Lewis [5] , creando un entorno de floculación similar al tratamiento convencional de aguas residuales. El flóculo insoluble de Al(OH) 3 adsorbe el fósforo, así como otras especies, y las elimina de la columna de agua. A medida que continúa la adsorción del flóculo, este se hace más grande y finalmente se asienta en el fondo de la columna de agua en el sedimento. La capa de hidróxido de aluminio resultante que cubre el fondo del lago bloquea además la difusión del fósforo desde el sedimento hacia la columna de agua, regulando aún más el fósforo cargado internamente. [4]

Implementación

Para la mayoría de los tratamientos con alumbre, se aplica sal de sulfato de aluminio al sustrato en el fondo del lago, dentro del hipolimnio . [6] Luego, el alumbre reduce los niveles de fósforo al inactivar el fósforo liberado de estos sedimentos del lago, controlando así el fósforo en toda la columna de agua. Este fósforo suministrado desde dentro de los sedimentos del lago se conoce como fósforo "cargado internamente", a diferencia del fósforo "cargado externamente" suministrado por fuentes fuera del lago, como la escorrentía . [7]

Aunque el alumbre se aplica típicamente al hipolimnio, reduciendo el fósforo de forma universal en el lago, también se puede aplicar al epilimnio o de forma local en fuentes puntuales . [8] Este estilo de tratamiento con alumbre es similar al uso de alumbre en el tratamiento de agua convencional, y es más eficaz para reducir el fósforo cargado externamente que la aplicación universal de alumbre al hipolimnio. Cuando se aplica al epilimnio, se despliegan embarcaciones impulsadas por un motor fuera de borda en un lago que transporta sulfato de aluminio. Después de determinar la dosis necesaria y la ubicación de la aplicación, el sulfato de aluminio se agrega a la superficie del lago cerca de la estela del motor fuera de borda. Esto proporciona una mezcla suficiente del sulfato de aluminio dentro del epilimnio. [9]

La dosis necesaria de alumbre se determina en función de diversos parámetros. Es importante tener en cuenta los cambios en el pH, los niveles de oxígeno disuelto , el contenido de metales en los sedimentos del lago y el tamaño del lago. [10] Los científicos e ingenieros calculan la dosis de alumbre para aumentar la eficacia. [ cita requerida ]

Limitaciones

El tratamiento con alumbre es menos eficaz en lagos profundos, así como en lagos con una carga externa sustancial de fósforo. [7] En lagos profundos, la inactivación del fósforo no se extiende por toda la columna de agua, como ocurre en lagos menos profundos debido a la localización del hidróxido de aluminio en el hipolimnio. Además, el fósforo cargado externamente a menudo se difunde lentamente hacia abajo desde la superficie del lago, lo que limita su interacción con el hidróxido de aluminio dentro del hipolimnio y permite la acumulación de fósforo en zonas más altas de la columna de agua. [8] Por lo tanto, el tratamiento con alumbre se aplica de forma más eficaz en lagos poco profundos con fósforo cargado principalmente internamente. Una excepción son las fuentes puntuales de fósforo cargado externamente, que se pueden regular de forma eficaz mediante la aplicación directa de sulfato de aluminio a la fuente. [8]

Otra propiedad física que debe considerarse es la capacidad de un lago para soportar la mezcla en la columna de agua. Se ha descubierto que los lagos con un índice de Osgood más alto, un parámetro utilizado para determinar la cantidad de mezcla que se produce en un lago debido al viento, dan como resultado un tratamiento con alumbre más eficaz. Otro parámetro es la relación entre el área de la cuenca hidrográfica y el área de la superficie del lago. Los lagos con relaciones de área de cuenca hidrográfica a área de lago más bajas experimentaron una mayor longevidad después del tratamiento. Estos lagos tienden a estar correlacionados con tiempos de residencia más largos y tienden a estar influenciados por el fósforo cargado internamente, lo que ayuda al éxito del tratamiento. [4] Independientemente de la estrategia de aplicación, el tratamiento repetido con alumbre suele ser necesario para la mayoría de los lagos cada 5 a 15 años. [8] La necesidad de un tratamiento repetido requiere una gestión continua y un control del fósforo para garantizar una eficacia óptima. [ cita requerida ]

Las implicaciones biológicas son otra consideración importante del tratamiento con alumbre. Los tratamientos aumentan la claridad del agua, lo que se ha correlacionado con un mayor crecimiento de las plantas a mayores profundidades dentro del lago. [8] El aumento del crecimiento de las plantas dentro de los lagos cambia el carácter del sustrato , lo que a veces es un factor en la biodiversidad. Los lagos con peces que se alimentan bentónicamente, como la carpa, tienden a tener un menor éxito en la eliminación de fósforo. Estas especies se alimentan en los sedimentos del lago, lo que altera los flóculos de hidróxido de aluminio que unen el fósforo al fondo del lago. [4] Una preocupación adicional es que las sales de aluminio pueden acidificar los lagos, haciéndolos potencialmente tóxicos para los organismos acuáticos. [7] Sin embargo, la dosis de sulfato de aluminio utilizada para el tratamiento de lagos no suele ser lo suficientemente alta como para suponer una toxicidad significativa para los peces, aunque se han observado disminuciones en las algas y los invertebrados en los lagos tratados. La dosis de alumbre también es insuficiente para causar toxicidad en los seres humanos, y a menudo es similar a las dosis de alumbre utilizadas en el tratamiento convencional del agua potable. [8] Para reducir los efectos biológicos negativos, el límite aceptado para las concentraciones de aluminio disuelto en un cuerpo de agua es de 50 μg Al/L y el pH debe restringirse a un rango de 5,5 a 9. [2]

Referencias

  1. ^ Ingeniería de aguas residuales: tratamiento y reutilización (4.ª ed.). McGraw-Hill. 2003. pág. 501. ISBN 0070418780.
  2. ^ abcd Kennedy, Robert H.; Cook, G. Dennis (junio de 1982). "Control del fósforo en lagos con sulfato de aluminio: determinación de dosis y técnicas de aplicación". Revista de la Asociación Estadounidense de Recursos Hídricos . 18 (3): 389–395. doi :10.1111/j.1752-1688.1982.tb00005.x. ISSN  1093-474X.
  3. ^ Garrison, Paul J.; Knauer, Douglas R. (enero de 1984). "Evaluación a largo plazo de tres lagos tratados con alumbre". Lake and Reservoir Management . 1 (1): 513–517. doi : 10.1080/07438148409354568 . ISSN  1040-2381.
  4. ^ abcd Martyn, Huser, Brian J. Egemose, Sara Harper, Harvey Hupfer, Michael Jensen, Henning Pilgrim, Keith M. Reitzel, Kasper Rydin, Emil Futter (2016). Longevidad y eficacia de la adición de aluminio para reducir la liberación de fósforo en los sedimentos y restaurar la calidad del agua del lago. Universidad de Uppsala, Limnologi. OCLC  1233676585.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ "Coagulante de aluminio: descripción general | Temas de ScienceDirect" www.sciencedirect.com . Consultado el 15 de marzo de 2022 .
  6. ^ Cooke, GD, Heath, RT, Kennedy, RH y McComos, MR (1982). Cambio en el estado trófico del lago y liberación interna de fósforo después de la aplicación de sulfato de aluminio 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association , 18 (4), págs. 699-705.
  7. ^ abc Cooke, GD, Welch, EB, Martin, AB, Fulmer, DG, Hyde, JB, y Schrieve, GD (1993). Eficacia de las sales de Al, Ca y Fe para el control de la carga interna de fósforo en lagos profundos y poco profundos. Hydrobiologia , 253 (1), 323-335.
  8. ^ abcdef "Sociedad de Gestión de Lagos de América del Norte (NALMS)". Sociedad de Gestión de Lagos de América del Norte (NALMS) . Consultado el 12 de abril de 2022 .
  9. ^ Ree, William R. (marzo de 1963). "Tratamiento de emergencia con alumbre de embalses abiertos". Revista - American Water Works Association . 55 (3): 275–281. doi :10.1002/j.1551-8833.1963.tb01028.x. ISSN  0003-150X.
  10. ^ Rydin, Emil; Welch, Eugene B (octubre de 1998). "Dosis de aluminio necesaria para inactivar el fosfato en sedimentos lacustres". Water Research . 32 (10): 2969–2976. doi :10.1016/s0043-1354(98)00055-4. ISSN  0043-1354.
  • Eliminación de fósforo de las aguas residuales - Lenntech
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