Remoción de hierro (Fe) y manganeso (Mn)

MSc. Ing. Norma AvendañoCoordinadora Unidad de Vigilancia de la Salud y AmbienteMSPAS

Reseña histórica

• 1,899 (Harry Clark) reporto por primera vez la presencia de Fe y Mn en agua subterránea como resultado de la percolación de aguas saturadas con oxígeno disuelto que estaban en contacto con materia orgánica.

• En 1958 (Ralp Wolf) explico el metabolismo de la Gallionella ferruginea

• En 1960 (A. E. Griffin) indica que la presencia de Mn esta asociada a la actividad bacteriana.

Orígenes de la presencia de Fe y Mn

Los materiales que constituyen la corteza terrestre son clasificados en suelo y rocas que contienen sustancias inorgánicas de tres tipos:– Minerales primarios procedentes de rocas ígneas y

metamórficas– Minerales secundarios formados a partir de los

primarios (arcillosos)– Oxidos y carbonatos sin cambiar, tales como Fe2O3,

Al2O3, etc.

Los depósitos residuales de hierro pueden proceder de:– yacimientos de siderita o sulfuro de hierro– minerales de hierro contenidos en calizas no

alumínicas– calizas que han sido sustituidas parcialmente

por minerales de hierro antes o durante el período de meteorización

– rocas ígneas básicas– sedimentos siliceos ferruginosos

Los depósitos de Mn pueden proceder de:– Calizas y dolomitas pobres en alúmina pero que

contienen diseminados carbonatos y óxidos de manganeso.

– Calizas que contienen manganeso introducido o diseminado en las mismas.

– Rocas silicatadas magnesiferadas, tales como esquistos cristalinos o rocas ígneas alteradas

– Yacimientos de filón de minerales de manganeso o minas con elevado contenido de manganeso.

Presencia de Fe y Mn

• Las aguas de pozos contienen mayores concentraciones de Fe y Mn que las aguas superficiales, debido al bajo pH (alta concentracion de CO2) y al escaso contenido de oxigeno disuelto.

• En el agua el Fe y Mn se presentan en forma químicamente reducida y solubles que no dan color al agua, como bicarbonato de manganeso y bicarbonato ferroso.

• Cuando se oxidan por aireación o por cloro, los minerales precipitan y el Fe imparte un color rojizo o negruzco y el manganeso un color purpúreo o negruzco.

Microorganismos asociados a la presencia de Fe y Mn

El Fe favorece el crecimiento de las “bacterias del hierro”, organismos filamentosos que extraen su energía de la oxidación del Fe+2 a Fe+3 y en esta operación depositan un revestimiento viscoso en las tuberías, no son bacterias verdaderas, sino especies de mas alta vida vegetal. Los más comunes de estos organismos son del genero Crenothrix.

Bacterias envainadas

Se caracterizan por el agrupamiento filamentoso de las células que están dentro de sus vainas (a veces tienen incrustados óxidos de Fe y Mn). Pertenecen al reino procariote y se componen de siete géneros:– Sphaerotilus - Crenothrix– Leptothrix - Clonothrix– Streptothrix - Lieskeella– Phragmigiothrix

Otra subdivisión del reino procariote son las bacterias gemantes o accesorias de las cuales el genero Gallionella, específicamente la especie Gallionella ferruginea, se caracteriza porque sus tallos son largos, delgados y retorcidos y están impregnados de hidróxido férrico. Se les encuentra en suelos y aguas que contienen compuestos solubles de hierro reducido. Tienen la propiedad de transformar el Fe reducido soluble en compuestos férricos insolubles que pueden obstruir los sistemas urbanos de aguas.

Desarrollo de Crenothrix en las tuberías:

• Crenothrix y organismos conexos se desarrollan en forma de masas aglutinadas o viscosas adheridas a las paredes de los tubos y superficies sumergidas.

• El desarrollo de las bacterias produce condiciones alcalinas favorables a la precipitación local o intercelular de los iones metálicos como hidratos insolubles

• Los metales actúan como factor de crecimiento de las bacterias.

• Durante el proceso de descomposición orgánica, se producen reacciones químicas reversibles, producción local de ácido y el potencial de oxidación reducido, disuelve hidratos del metal produciendo sabores y olores.

• Las variaciones de pH y potencial de oxidación causan circuitos de corrosión.

• La precipitación del Fe y Mn es catalizada por los depósitos existentes de óxidos de Fe y Mn, desarrollados por aireación.

• El resultado de los procesos, Fe y Mn se acumulan en los sistemas de distribución.

• Ademas en ausencia de oxigeno, se favorece la reducción de sulfatos en sulfuros y se producen compuestos olorosos.

• Las materias tánicas se combinan con Fe y forman un deposito negro.

Problemas ocasionados

• Depósitos en red de distribución• Medidores pueden recubrirse de óxidos• Artefactos sanitarios y utensilios de cocina se

recubren de depósitos negruzcos• Manchas amarillas en ropa• Corrosión de tuberías• Sabor metálico • Industrias de papel (estabilidad de colorantes),

bebidas

Normas guatemalteca de calidad del agua potable

• Hierro– Límite máximo aceptable: 0.1 mg/L– Límite máximo permisible: 1.0 mg/L

• Manganeso – Límite máximo aceptable : 0.05 mg/L– Límite máximo permisible: 0.5mg/L

Metodos para remoción de Fe y Mn

Procesos de remoción

• Oxidación y precipitación, con la adición de químicos y sedimentación en algunos casos, y filtración

• Filtración a través de zeolita de manganeso• Intercambio de iones

Precipitación química:

El hierro y el manganeso pueden ser removidos mediante la oxidación de los iones solubles de Fe+2 y Mn +2 con el uso de oxígeno molecular, cloro residual y permanganato de potasio.

Proceso químico

4 Fe+2 + O2(g) + 10 H2O --->4 Fe(OH)3 (s) + 8 H+

3 Fe+2 + KMnO4 + 7 H2O --->3 Fe(OH)3 (s) + MnO2(s) + K+ + 5 H+

2 Fe+2 + Cl2 + 6 H2O --->2 Fe(OH)3 (s) + 2 Cl- + 6 H+

2 Mn+2 + O2(g) + 2 H2O --->2 MnO2 (s) + 4 H+

3 Mn+2 + 2 KMnO4 + 2 H2O ---> 5 MnO2(s) + 2 K+ + 4 H+

Mn+2 + Cl2 + 2 H2O ---> MnO2 (s) + 2 Cl- + 4 H+

Cinética de reacciónOxigenación de Mn+2

Compuestos de Fe

• Bicarbonato ferroso• Hidróxido férrico• Sulfato ferroso• Hierro orgánico

Remoción de bicarbonato ferroso• Aireación, sedimentación y filtración

4 Fe(HCO3)2 + O2 + 2 H2O --->4 Fe(OH)3 + 8 CO2

• Oxidación, sedimentación y filtración2 Fe+2 + Cl2 + 6 H2O --->2 Fe(OH)3 (s) + 2 Cl- + 6 H+

• Ablandamiento del agua por intercambio de cation de sodio (zeolita)

Fe(HCO3)2 + 2 NaR ---> FeR2 + 2 NaHCO3

FeR2 + 2 NaCl ---> 2 NaR + FeCl2

• Proceso de intercambio de cation de

hidrogenoFe(HCO3)2 + 2 HR ---> FeR2 + H2O + 2 CO2

FeR2 + H2SO4 ---> 2HR + FeSO4

• Proceso de ablandamiento por cal y sodaFe(HCO3)2 + Ca(OH)2 ---> FeCO3 + CaCO3 + H2O

• Proceso de ablandamiento con zeolitas comunes

Se reduce dureza (agua blanda)

Estudio de casos

Aplicación de estudios de laboratorio al diseño de plantas de tratamiento

Presentado por:

• Ing. Octavio Cordón• Ing. Norma Avendaño

Objetivo del trabajo técnico

Resaltar la utilidad de estudiar el origen de las sustancias indeseables en las aguas de abastecimiento para entender los mecanismos de sus remoción y sobre todo la importancia de efectuar ensayos de laboratorio y de procesos unitarios para ayudar en la selección de los procesos de tratamiento para su remoción, a emplear en el diseño de las plantas de tratamiento.

Descripción Caso 1

Urbanización privada ubicada al Sudeste de laCiudad de Guatemala en jurisdicción,comprende 60 lotes y la fuente deabastecimiento es agua subterráneaproveniente de un pozo. Problema: Quejas de usuarios

Hierro - 2.3 mg/LManganeso - 3.4 mg/L

Descripción - caso 2

Urbanización privada en condominio ubicada al norte de la Ciudad de Antigua Guatemala, con 50 casas, abastecida por agua subterránea proveniente de un pozo.

Problema: Quejas de usuariosHierro - 2.3 mg/L

Estudios de procesos - caso 1 y 2

Agua cruda

Bandejas deaireación

Cámara decontacto

Filtro rápidode gravedad

Tanque de distribución

Cloro Cloro

Cloro

Descripción del caso 3

Río que abastece a una población de 20 000 habitantes ubicada en el oriente del país. La calidad del agua en época de lluvia presenta problemas de color rojizo.Problemas:Color aparente: 233 unidadesColor verdadero: 109 unidades

Procesos - caso 3

Canal de mezclahidráulica Sedimentadores Filtros lentos

Agua cruda

Sulfato de Aluminio Tanques de

distribución

Cloro

Descripción - caso 4

• Urbanización para vivienda económica ubicada cerca de Villa Canales, abastecida de agua subterránea de un pozo profundo.

• Problemas:Quejas de usuarios - manchas en ropaHierro 0.6 mg/LManganeso: 3.5 mg/L

Procesos - caso 4

Bandejas deaireación

Cámara de Contacto

Filtros rápidosgravedad

Tanque dedistribución

Agua cruda

Cloro

Cloro y calhidratada

Conclusiones

• Es posible y necesario hacer estudios de laboratorio (bench) para encontrar la aplicabilidad y secuencia de los procesos a emplear en el diseño de plantas de tratamiento.

• Para casos más complejos es necesario construir una planta piloto y probar los procesos unitarios a emplear.

Conclusiones

• Los métodos de remoción de hierro y manganeso por aireación, oxidación, sedimentación y filtración, son económicamente factibles, fáciles de implementar y de operar.

• Las plantas de remoción de hierro y manganeso diseñadas localmente son económicas en comparación con las plantas paquete.

Conclusiones

• Es posible utilizar, con juicio, sedimentación con floculantes precediendo filtración lenta en el diseño de plantas.

• Se debe investigar y considerar dentro de los diseños de los procesos de tratamiento, los problemas organolépticos y de salud que se puedan ocurrir debido a la utilización de sustancias químicas en el tratamiento de agua potable.

Conclusiones

• En el transcurso de la realización del presente trabajo de investigación se observó la importancia que tiene el formar equipos mixtos de trabajo con diferentes experiencias para poder implementar en los diseños aspectos técnicos de varias especialidades.

Recomendaciones

• Debido a los resultados obtenidos en las distintas pruebas, se evidencia la utilidad de los ensayos para lograr la selección adecuada de procesos de tratamiento y la construcción de obras de ingeniería sanitaria que no cumplan con los objetivos de remover los parámetros que puedan afectar la calidad del agua de abastecimiento.

Recomendaciones

• Se recomienda efectuar ensayos de laboratorio para cada una de las fuentes de abastecimiento de agua para elegir el tratamiento más adecuado.