El hierro es, con el manganeso y el amonio, el contaminante químico más común de las fuentes de agua potable. El límite en concentración de hierro establecido por la mayor parte de las reglamentaciones nacionales y supranacionales –RD 140 en España, Comisión Europea– está en los 0,2 mg/l de Fe y 0,05 mg/l de Mn. El origen de ambos contaminantes en las fuentes de agua es diverso, pero mayoritariamente suele tener causas naturales, bien sean minerales o también producto de la actividad bacteriana. Igualmente, pero con un menor grado de incidencia, es responsable de esta contaminación la presión antrópica que puede aportar hierro y manganeso vía escorrentía urbana e industrial y operaciones mineras.
La presencia de hierro y manganeso es mucho más común en las fuentes subterráneas, debido a los bajos niveles de oxígeno disuelto, al menor pH y a las mayores concentraciones de CO2. En fuentes superficiales, además de hierro mineral, es posible encontrar hierro complejado con materia orgánica. Este suele aparecer estacionalmente, y es importante caracterizarlo correctamente porque el enfoque de tratamiento cambia sustancialmente con respecto al hierro mineral; la eliminación del mismo pasa por la eliminación de la materia orgánica que lo compleja.
El medio filtrante Filtralite® es la solución tecnológica para diseñar tratamientos de eliminación de hierro y manganeso de alta efectividad
En España, aproximadamente el 27% del agua de suministro público proviene de fuentes de agua subterránea. La problemática de eliminación de hierro y manganeso es denominador común en muchas de las ETAP que tratan este tipo de aguas, e implica un desafío a nivel de tratamiento. En un alto número de casos, el hierro y manganeso aparecen juntos.
En bajas concentraciones, estos dos contaminantes no son peligrosos para la salud humana. Sin embargo, el problema aparece –cómo es lógico– por encima de los límites permitidos. Estos contaminantes confieren un fuerte sabor metálico al agua y generan manchas de óxido. Asimismo, los equipos de la ETAP pueden verse afectados por una acumulación de depósitos de óxidos, lo que afecta a su operatividad, acortando su vida útil y suponiendo una merma de la calidad del efluente. En las redes de abastecimiento, estos óxidos precipitados pueden ser críticos por las reducciones en la sección de tubería, aumento de pérdida de carga y generación de crecimiento bacteriano incontrolado que afectan a los agentes desinfectantes.
Filtralite® Pure ensacado a granel
Las formas en las que podemos encontrar el hierro mineral en agua son Fe2+, soluble en agua, y el Fe3+ insoluble. Las concentraciones que aparecen en aguas subterráneas y superficiales pueden ser elevadas. En función del potencial de reducción-oxidación y el pH del agua, el hierro se encuentra en un estado u otro. El Fe2+, y de ahí la problemática, es la forma predominante a valores pH neutros y de ORP promedio; es decir, en condiciones de tratamiento de agua potable.
El manganeso aparece con menor frecuencia y en menores concentraciones que el hierro mineral, pero normalmente lo hace a la vez a este. Cuando aparece, su concentración suele ser baja, inferior a 1 mg/l para aguas superficiales (aunque es posible encontrar valores mayores) e inferior a 0,4 mg/l para aguas subterráneas. Las formas principales en las que podemos encontrar manganeso en el agua son Mn2+ y Mn4+, sus cationes son más estables que los del hierro y, por tanto, más difíciles de oxidar o precipitar.
El objetivo del piloto en Polonia era estudiar y documentar la capacidad de eliminación de estos contaminantes gracias a Filtralite®
La eliminación de estos componentes en sus formas catiónicas con el enfoque de remoción tradicional de oxidación-filtración presenta limitaciones y efectos no deseados. El objetivo de la oxidación-filtración es transformar las formas catiónicas disueltas de hierro y manganeso en óxidos insolubles que puedan ser retenidos mecánicamente en un filtro de arena. Esto puede realizarse vía aireación intensa, diez a veinte minutos de aireación, ya sea con cascadas o difusores, y trabajando con pH elevado para incrementar la eficiencia del proceso. Esta técnica solo da un rendimiento con bajas concentraciones y cuando se pretende únicamente eliminar hierro mineral; no es efectiva cuando también hay presencia de manganeso. Este hecho obliga a forzar la oxidación mediante el empleo de reactivos tipo hipoclorito, cloro gas, o incluso para mayores concentraciones de manganeso, permanganato potásico. Estas pre-oxidaciones intensivas tienen sus desventajas. La principal es la formación de subproductos de la oxidación si en el agua tenemos precursores de estos, o para el caso del permanganato, posibles sobredosificaciones pueden producir la coloración del agua y el incumplimiento de los parámetros de potabilidad.
Existen otros métodos que en principio son efectivos para la remoción del hierro y manganeso pero que para caudales medios y grandes se vuelven insostenibles económicamente: el intercambio iónico, las membranas y el uso de materiales absorbentes.
El medio filtrante Filtralite®, fabricado a base de arcillas expandidas, por sus propiedades diferenciales, es la solución tecnológica para diseñar tratamientos de eliminación de hierro y manganeso de alta efectividad. Este material filtrante tiene una superficie específica elevadísima (>1500 m2/m3), una enorme porosidad, muy baja pérdida de carga y unas características superficiales que optimizan sustancialmente los tratamientos de eliminación de hierro y manganeso frente a los procesos convencionales. Hay dos enfoques posibles en función de las concentraciones de Fe-Mn que pueden ser implementados con Filtralite®.
Para las dos primeras velocidades de filtración, se consiguieron los resultados de remoción requeridos dentro del tiempo de estudio
El primero, la oxidación-autocatalítica se adecua mejor a niveles medios de contaminación de hierro y manganeso. Se trata de concentraciones de hierro mineral por debajo de 3,5 mg/l y de manganeso de los 0,5 mg/l. Se trataría de un proceso que combina una aireación somera con una precipitación vía oxidación auto-catalítica. La oxidación auto-catalítica tiene lugar sobre Filtralite® por un doble motivo: por un lado, el contenido superficial de Filtralite® de óxidos de hierro (Fe2O3) hace posible la oxidación auto-catalítica del Fe2+. Por otro lado, la enorme superficie específica del material y su composición estructural favorecen la formación de una capa de MnO2 creada a partir de la precipitación de cationes de manganeso. Esta capa trabaja realizando la oxidación auto-catalítica de los cationes manganeso y su retención vía precipitación.
La segunda opción de tratamiento consiste en un proceso de oxidación biológica, en la cual hierro y manganeso son oxidados gracias a la actividad de una biopelícula conformada por bacterias específicas que utilizan como carrier Filtralite®. Este medio filtrante es el espacio perfecto para llevar a cabo un proceso de esta naturaleza por razones similares a la oxidación auto-catalítica, gran superficie específica, porosidad, baja pérdida de carga, pH superficial y gran adherencia de la biopelícula.
Eliminación de hierro y manganeso vía oxidación auto-catalítica
Durante más de cien días, se llevó a cabo un detallado estudio piloto en Polonia para tratar agua subterránea utilizando una columna de filtración cuyo lecho era Filtralite® Pure HC 0,8-1,6. El agua tenía hierro y manganeso mineral, y también ion amonio en concentraciones promedio por encima de la norma: 1,2 mg/l, 0,4 mg/L y 0,8 mg/L respectivamente. El objetivo del piloto era estudiar en detalle y documentar la capacidad de eliminación de estos contaminantes gracias a Filtralite®, con el enfoque de oxidación auto-catalítica, hasta conseguir unas condiciones de proceso estabilizadas que cumplieran los parámetros establecidos en reglamentación de potables.
El piloto demostró lo que ya se sabía en la práctica. La remoción conjunta de hierro, manganeso y amonio en este rango de concentraciones es viable únicamente con un paso de filtración con Filtralite® Pure HC 0,8-1,6 y con una aeración simple (cascada).
La premisa de diseño fue conseguir una altura de lecho suficiente (1,8 metros) para eliminar de forma escalonada cada contaminante, atendiendo al mecanismo de remoción particular de cada uno de ellos. En la parte superior se elimina por filtración física el Fe2+ oxidado con la aireación previa, y se oxida también vía auto-catalítica sobre Filtralite® el hierro catiónico remanente. En la parte media se elimina vía biofiltración (nitrificación) el ion amonio, transformándose completamente en nitratos. Finalmente, en la parte baja del lecho se elimina el manganeso de forma auto-catalítica al igual que el hierro que se va formando gradualmente con la precipitación del Mn2+ y por una serie de reacciones intermedias.
Se determinó que el medio Filtralite® Pure HC 0,8-1,6 elimina el hierro mineral del agua subterránea desde el primer minuto de filtración
El piloto se realizó en tres columnas de filtración para trabajar a tres velocidades de filtración distintas 6, 9 y 12 m/h. Los resultados fueron muy positivos, ya que para las dos primeras velocidades de filtración, muy en el orden de velocidades de procesos estándar en filtración rápida, se consiguieron los resultados de remoción requeridos por la norma dentro del tiempo de estudio.
Las conclusiones más importantes del estudio son de peso. Se determinó que el medio Filtralite® Pure HC 0,8-1,6 elimina el hierro mineral del agua subterránea desde el primer minuto de filtración e independientemente de la velocidad de filtración, lográndose una muy alta efectividad de remoción (>99%) y trabajando a una velocidad de filtración de 12 m/h.
La eliminación por debajo de los 50 µg/l de manganeso se alcanzó tras 85 días de filtración para las tasas de filtración de 6 y 9 m/h. El proceso requiere la formación de una capa auto catalítica de MnO2 generada por la precipitación del Mn2+. Para bajas concentraciones de entrada, en el caso de estudio 400 µg/l de catión manganeso, este proceso requiere de unas once semanas. Toda vez formada la capa auto-catalítica se mantiene estable y duradera en el tiempo durante años de proceso y la cinética de remoción va incrementándose con la extensión de la capa de MnO2.
Por otro lado, el estudio constató algo sabido en Filtralite®: un rendimiento muy elevado de remoción del ion amonio. En el piloto se logró consolidar completamente el proceso de nitrificación biológica espontanea –gracias a la aireación previa– en menos de 30 días, incluso a los 12 m/h, consiguiendo concentraciones de salida de NH4+ cercanas a los 0 mg/l.
El piloto ha dejado patente que, para concentraciones medias de hierro, manganeso y amonio, Filtralite® Pure HC 0,8-1,6, con sus singulares características materiales es capaz de eliminar estos tres contaminantes con unos costes operativos muy bajos, un layout sencillo y con mucha eficiencia y robustez. Se trata de una solución ideal para tratar el agua subterránea con esta problemática, aplicando un bajo nivel de tecnificación y gran simplicidad.
Manchas de óxido en grifo de suministro
Eliminación de hierro y manganeso vía oxidación biológica
Actualmente, los tratamientos biológicos se han vuelto muy relevantes en el proceso de mejora de la calidad del agua potable para eliminar hierro y manganeso, especialmente cuando las concentraciones de uno de ellos o de ambos son elevadas.
La tecnología de oxidación biológica es capaz de tratar aguas subterráneas y superficiales, y se basa en utilizar la actividad metabólica de bacterias seleccionadas que se ocupan de transformar el hierro y manganeso. Los procesos más utilizados, por su alta eficiencia en potables son los de biopelícula en lecho fijo. En estos procesos, los microorganismos crecen y proliferan sobre el medio soporte Filtralite®. Con este enfoque de biofiltración, se logra una combinación de biodegradación aeróbica y retención física de partículas suspendidas por retención mecánica.
La filtración se puede hacer en filtros presurizados o en filtros abiertos, con flujo ascendente o descendente. Estos diseños deberán incluir sistemas de aireación regulados, ya que la biopelícula requiere oxígeno disuelto para adaptarse a las condiciones de proceso específicas. En caso de presencia de hierro combinado con medias o altas concentraciones de manganeso, es recomendable un segundo paso de biofiltración para eliminar de forma separada el manganeso por las diferentes condiciones requeridas de pH, OD y ORP de la oxidación biológica del manganeso.
La remoción conjunta de hierro, manganeso y amonio en este rango de concentraciones es viable únicamente con un paso de filtración
Para caudales elevados, el sistema de filtros abiertos presenta un CAPEX y OPEX menor que los filtros cerrados. En estos casos, el sistema de aireación consiste en una cascada u otros mecanismos simples para airear el agua de proceso dentro de los biofiltros.
La biofiltración presenta una serie de ventajas con respecto a la oxidación-filtración tradicional que lo convierten en la mejor alternativa parar tratar concentraciones elevadas. La principal fortaleza es que esta tecnología consigue una reducción de costes operativos muy notables, ya que además de eliminar hierro y manganeso, reduce la cantidad de materia orgánica (puede tratar hierro complejado) y microorganismos patógenos sin utilizar reactivos y generar subproductos (que tienen que ser tratados con GAC). El cambio de precipitación abiótica a biótica puede aumentar sustancialmente la capacidad de una ETAP y reducir los costes de operación hasta en un 50%.
En estos tratamientos, la oxidación biológica y la filtración se producen de forma prácticamente simultánea, lo que permite diseñar plantas aún más compactas y evitar equipos que son necesarios en ETAP, tales como columnas de oxidación, cámaras de contacto, decantadores, etc. Asimismo, reactivos oxidantes, correctores de pH o floculantes no suelen ser necesarios.
La biofiltración con Filtralite® consigue además dos cosas fundamentales para ahorrar costes de inversión: trabajar a altas velocidades de filtración (menor superficie filtrante) y trabajar con altas concentraciones de hierro y manganeso. En el enfoque biológico se han estimado retenciones entre contralavados en kg/m3 de filtro, del orden de cinco veces superiores que en los métodos físico-químicos tradicionales.
La calidad final del agua tratada es mejor que con el enfoque físico-químico, y además no se producen interferencias o mermas de rendimiento por la presencia de aniones inorgánicos, tipo silicatos. A nivel de generación de lodos, las cantidades son muy reducidas y estos son fácilmente espesados y deshidratados.
La biofiltración es, por tanto, una tecnología consolidada para tratar altas concentraciones de hierro y manganeso de una forma efectiva, segura y contenida en costes.
A modo de cierre del artículo, subrayar que Filtralite® ofrece dos diferentes enfoques de tratamiento para abordar la casuística del hierro y el manganeso mineral en función de las concentraciones a abordar y que simplifican los métodos existentes, ofreciendo soluciones alternativas sostenibles tanto por inversión como por costes operativos.
