Guía completa para el diseño de sistemas de dosificación de fosfato para aplicaciones de agua potable. Parte 8

Tomado de Water Innovations

Con el creciente énfasis en el control de la corrosión bajo el LCRI, los sistemas de dosificación de fosfato son una inversión crucial para proteger la salud pública.

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Costo del Tratamiento

El costo del tratamiento es un factor crítico en el diseño y la selección de un sistema de alimentación de fosfato para lograr el objetivo de tratamiento deseado. Los costos operativos incluyen la compra de productos químicos, el mantenimiento del sistema de alimentación y el monitoreo de la calidad del agua. Además, los sistemas con una química del agua compleja o redes de distribución extensas pueden requerir una mayor dosificación de productos químicos, lo que resulta en un mayor gasto anual. También debe considerarse la necesidad de un tratamiento adicional en la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) para cumplir con los límites de fosfatos. Por lo tanto, se recomienda a las empresas de servicios públicos que evalúen las implicaciones financieras a largo plazo durante la planificación y selección de las estrategias de tratamiento de fosfatos.

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Conclusiones

El diseño de un sistema de alimentación de fosfatos para agua potable implica un cuidadoso equilibrio entre la selección de productos químicos en función de los objetivos del tratamiento, las características de la calidad del agua, el dimensionamiento de los equipos, el diseño optimizado de los componentes del sistema y el cumplimiento normativo. Con el creciente énfasis en el control de la corrosión bajo el LCRI, los sistemas de dosificación de fosfatos son una inversión crucial para la protección de la salud pública. En conclusión, las empresas de servicios públicos deben evaluar cuidadosamente sus estrategias de tratamiento de fosfato, considerando las implicaciones financieras y ambientales tanto inmediatas como a largo plazo.

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Consideraciones complementarias relacionadas con los sistemas de alimentación de fosfato

Actividad biológica en el sistema de distribución

El fosfato es uno de los nutrientes limitantes para el crecimiento microbiano; por lo tanto, una dosificación excesiva puede provocar el crecimiento biológico. Esto es fundamental para los sistemas de agua que mantienen un residuo de cloramina (monocloramina) y utilizan tratamiento con fosfato, ya que existe un mayor riesgo de actividad biológica dentro del sistema de distribución de agua, lo que puede provocar problemas de calidad del agua, como la reducción de residuos de desinfectante y problemas de sabor y olor.

Para gestionar esto, los sistemas públicos de agua pueden implementar conversiones periódicas de cloro libre (también conocidas como quema de cloro) durante dos o tres semanas, generalmente dos veces al año, para suprimir el crecimiento biológico.

Aumento de la Carga en las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

Los fosfatos utilizados en el tratamiento de agua potable contribuyen en última instancia a un aumento de la carga de fosfato en el sistema de recolección y tratamiento de alcantarillado sanitario. Esto puede suponer una carga adicional para las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), en particular para aquellas que deben cumplir con los estrictos límites de fósforo total (PT) en sus efluentes, según sus permisos de vertido ambiental.

Impactos Estéticos y Sabor Metálico

El tratamiento con fosfato no elimina el hierro ni el manganeso del agua. En cambio, mantiene estos metales en forma soluble, evitando así la precipitación que, de otro modo, causaría agua decolorada y manchas. Sin embargo, dado que el hierro y el manganeso permanecen en solución, su presencia puede afectar el sabor del agua, a menudo impartiendo un sabor metálico.

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Monitoreo de la Calidad del Agua

Para monitorear y ajustar la dosis y los residuos, se miden periódicamente parámetros de calidad del agua, como el ortofosfato y el fosfato total, tanto en agua cruda como en agua tratada. El ortofosfato se mide directamente mediante el método del ácido ascórbico (p. ej., el método estándar 4500-P E o EPA 365.1), que detecta el fosfato reactivo sin digestión. La medición del fosfato total requiere una digestión inicial (normalmente con persulfato ácido) para convertir todas las formas de fósforo, incluyendo polifosfatos y compuestos orgánicos, en ortofosfato, que posteriormente se mide mediante el mismo método colorimétrico. Ambos resultados se expresan generalmente en mg/L como PO₄ o como P. Restar la concentración de ortofosfato del fosfato total proporciona una estimación aproximada de la concentración de polifosfato para la aplicación en agua potable.

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8. Consideraciones Auxiliares

a. Energía

Si el funcionamiento continuo del sistema de fosfato es crítico, se deben incluir en el diseño provisiones para energía de respaldo de emergencia, como un generador.

Además, se recomienda un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) para el PLC y los sistemas de control para mantener la funcionalidad y evitar la pérdida de datos durante las interrupciones del suministro eléctrico.

b. Lavaojos de emergencia y ducha de seguridad

Se debe instalar un lavaojos de emergencia y una ducha de seguridad cerca de las áreas donde se almacenan o manipulan productos químicos de fosfato. La cantidad y la ubicación exacta de estas estaciones de seguridad deben cumplir con las normativas de seguridad locales, estatales y federales aplicables.

Ubicación de la inyección química de fosfato La ubicación de la inyección química depende del objetivo del tratamiento (control de corrosión vs. secuenciación), el tipo de agua de origen (agua subterránea vs. agua superficial) y el proceso de tratamiento en la planta de tratamiento de agua. En general, para la secuenciación de hierro y manganeso en la aplicación de agua subterránea, el fosfato debe ser inyectado aguas arriba del proceso de oxidación (p.ej., cloración o aireación). Una regla general es que se debe mantener una separación de 1' por cada 1” de diámetro de tubería antes del punto de inyección de cloro. Para el control de corrosión, el fosfato se inyecta típicamente en el agua tratada que sale de la planta de tratamiento, aguas arriba del punto de inyección del residuo de desinfección secundaria (cloro o cloramina).

Esquema típico del proceso para el sistema de dosificación de fosfato

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6. Inyección Química

Dependiendo del objetivo del tratamiento, el fosfato puede inyectarse en depósitos o directamente en las tuberías. Cuando se añade a los depósitos, el fosfato se suele gotear desde la parte superior del tanque o se inyecta a través de tubos de inyección instalados en las paredes laterales, con algún tipo de mezclado para garantizar una dispersión adecuada. Para la inyección en tuberías, se utilizan tubos de inyección química para suministrar el fosfato al centro de la corriente de flujo, lo que promueve una distribución uniforme. Para mejorar aún más la mezcla, se puede instalar un mezclador estático en línea aguas abajo del punto de inyección. Los tubos de inyección generalmente están diseñados para ser retráctiles para facilitar el mantenimiento y están equipados con mecanismos de prevención de reflujo para garantizar un funcionamiento seguro. Para mayor redundancia, los sistemas pueden incorporar puertos de inyección dobles en el punto de aplicación.

7. Controles

Los controles para los sistemas de almacenamiento y alimentación de fosfato incluyen los instrumentos y equipos necesarios para monitorear, regular y automatizar la dosificación de productos químicos.

a. Instrumentación y Equipos

i. Se instalan sensores de nivel en los tanques de almacenamiento para monitorear los niveles de productos químicos y activar alarmas en caso de niveles bajos (vacío) o altos (desbordamiento).

ii. Se utilizan medidores o sensores de flujo para medir el flujo de productos químicos a los puntos de aplicación y pueden integrarse con sistemas de control para automatizar la dosificación en función del caudal.

iii. Se instalan manómetros o transmisores de presión en las líneas de succión y descarga de las bombas dosificadoras para ayudar a identificar problemas como obstrucciones, fugas o fallas en las bombas.

iv. Se utilizan variadores de frecuencia (VFD) para controlar la velocidad de las bombas dosificadoras, lo que permite una dosificación precisa y de velocidad variable según los requisitos del proceso.

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b. Automatización

El funcionamiento del sistema de alimentación de fosfato se puede automatizar completamente con un controlador lógico programable (PLC) que utiliza las señales de retroalimentación de la instrumentación de campo.

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3. Edificio

Se recomienda que los sistemas de almacenamiento y alimentación de fosfato se ubiquen en interiores, en un ambiente con temperatura controlada (es decir, un edificio), ya que el fosfato puede volverse viscoso y comenzar a congelarse a temperaturas inferiores a 3 °C. Los edificios brindan protección esencial contra condiciones climáticas como lluvia, nieve y calor extremo, lo que ayuda a mantener la estabilidad química y prolongar la vida útil del equipo. Además, alojar el sistema de alimentación en interiores simplifica el diseño, la instalación y el mantenimiento. Estos edificios suelen construirse con materiales prediseñados, como plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV), hormigón prefabricado, bloques de mampostería de hormigón (CMU) o sistemas de construcción metálicos. Los edificios deben incluir una zona de descarga de camiones bien diseñada para garantizar la transferencia segura de productos químicos desde los camiones de reparto hasta el tanque de almacenamiento a granel del sistema de alimentación. Los edificios deben incluir sistemas de iluminación y climatización adecuados que cumplan con la normativa aplicable de la jurisdicción.

Dependiendo del objetivo del tratamiento, el fosfato puede inyectarse en depósitos o directamente en tuberías.

4. Sistema de Alimentación de Productos Químicos

Los sistemas de alimentación preensamblados y montados sobre patines se utilizan comúnmente en aplicaciones de tratamiento de fosfato. Un patín de alimentación de fosfato típico incluye una bomba dosificadora peristáltica o de diafragma, una columna de calibración, un amortiguador de pulsaciones, válvulas de aislamiento de succión y descarga, filtros en Y de entrada, una válvula de alivio de presión de descarga, una válvula de retención, medidores o sensores de flujo de descarga, manómetros y un panel de control de la bomba. Estos sistemas suelen estar configurados con al menos una bomba de servicio y una bomba de reserva o de reserva para garantizar una redundancia completa.

Como alternativa, se puede utilizar un sistema de alimentación a medida en lugar de un sistema de patín preensamblado para aplicaciones de tratamiento de fosfato. Al diseñar un sistema a medida, es importante incluir todo el equipo y la instrumentación necesarios, que se muestran en el esquema de la página 12, para garantizar un funcionamiento y una fiabilidad adecuados. 

5. Tubería de alimentación de productos químicos

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La tubería o tubería de alimentación de productos químicos se dirige desde las bombas dosificadoras hasta el punto de inyección. Siempre que sea posible, se recomienda minimizar la longitud de la tubería ubicando el equipo de alimentación y almacenamiento de productos químicos lo más cerca posible del punto de aplicación. Para las tuberías, se recomienda PVC o CPVC cédula 80 debido a su durabilidad y compatibilidad química con los sistemas de alimentación de fosfato. Para las tuberías, se utilizan comúnmente PVC transparente, polietileno blanco o elastómero termoplástico para conexiones flexibles y visibilidad del flujo químico. En aplicaciones exteriores expuestas a la luz solar, se recomienda utilizar materiales con inhibidores de rayos UV o aplicar un revestimiento protector para prolongar la vida útil de las tuberías.

Además, considere medidas de protección contra el congelamiento (aislamiento o trazado de calor) si el lugar experimenta condiciones climáticas gélidas.

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Muchos proveedores de productos químicos ofrecen mezclas patentadas de ortofosfato y polifosfato (denominadas fosfato mezclado), cada una con concentraciones y proporciones variables. Es fundamental que los diseñadores de sistemas consulten la información específica del producto de los proveedores para calcular con precisión las dosis adecuadas. Los diseñadores también deben asegurarse de que el sistema de alimentación tenga el tamaño adecuado para suministrar las concentraciones objetivo de ortofosfato, polifosfato o fosfato mezclado, adaptadas a los objetivos de tratamiento específicos del sistema. La variación en las características y caudales de la calidad del agua requiere ajustes en la dosis de fosfato para mantener la eficacia y alcanzar los objetivos de tratamiento deseados. Además, se recomienda realizar un seguimiento periódico de las concentraciones de fosfato y los parámetros de calidad del agua relacionados para garantizar que los objetivos de tratamiento se alcancen de forma constante.

Componentes recomendados para el sistema de almacenamiento y alimentación de fosfato

1. Almacenamiento de productos químicos

El almacenamiento de productos químicos suele tener un tamaño adecuado para un suministro de 30 días, según la demanda de la dosis de diseño del tratamiento. Sin embargo, algunas agencias reguladoras pueden requerir una capacidad de almacenamiento de solo 15 días. Los tanques de almacenamiento de productos químicos para sistemas de fosfato generalmente se fabrican con materiales compatibles con el fosfato, como polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de densidad media (MDPE), polietileno reticulado (XLPE), plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP), acero inoxidable (SS) o acero revestido con vidrio o epoxi. Dependiendo de la tasa de uso del producto químico y el cronograma de entrega, los sistemas de alimentación de fosfato pueden incluir tanques a granel, tanques diarios o ambos. Los tanques a granel se utilizan generalmente cuando los requisitos de almacenamiento varían en miles de galones. Cuando se instalan tanques a granel grandes, los tanques diarios se suelen utilizar aguas abajo para contener un volumen más pequeño y controlado del producto químico, lo que reduce el riesgo de sobrealimentación accidental o derrames grandes. Como solución alternativa, los sistemas pueden prescindir de los tanques diarios al proporcionar controles, instrumentación y procedimientos adecuados. Se pueden utilizar contenedores intermedios para graneles (IBC o totes) cuando el consumo de productos químicos es bajo, lo que ofrece una solución de almacenamiento más práctica y eficiente en cuanto al espacio.

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2. Contención

La contención o contención secundaria para el almacenamiento de sustancias químicas es una medida de seguridad diseñada para capturar y contener sustancias químicas en caso de falla o fuga de un tanque principal.

Los métodos comunes de contención secundaria incluyen tanques de almacenamiento de doble pared o una estructura de contención externa.

Las regulaciones de la EPA exigen que los sistemas de contención secundaria tengan un tamaño adecuado para albergar al menos el 110 % del tanque más grande dentro del área de contención. Sin embargo, se recomienda cumplir con las regulaciones locales o estatales aplicables para el dimensionamiento de la contención secundaria, ya que estos requisitos pueden variar según la jurisdicción o la aplicación.

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Consideraciones sobre la calidad del agua

Para determinar el tipo y la dosis adecuados de fosfato, los sistemas de agua deben realizar un análisis exhaustivo de la calidad del agua, que incluya los siguientes parámetros:

• pH

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• Temperatura

• Conductividad

• Carbono inorgánico disuelto (CID)

• Sólidos disueltos totales (TDS)

• Dureza de calcio y magnesio

• Alcalinidad

• Concentraciones de hierro y manganeso

Además, se deben calcular índices de estabilidad del agua, como el Índice de Saturación de Langelier (ISL), el Potencial de Precipitación de Carbonato de Calcio (PPCC) y el Índice de Estabilidad de Ryznar (ISR), para evaluar la posible formación de incrustaciones y la tendencia a la corrosión, lo que facilita la selección de la mezcla de fosfato adecuada.

Consideraciones sobre la dosis

1. Control de la corrosión: La dosis objetivo típica de ortofosfato es de 0,5 a 2,0 mg/L como PO₄.

2. Secuestro de hierro y manganeso: La práctica habitual en la industria suele implicar el uso de una dosis objetivo de polifosfato (como PO₄) basada en una proporción de 2:1 para la concentración de Fe₂+ y de 5:1 para la concentración de Mn₂+.

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Se recomiendan pruebas piloto o a escala de laboratorio para establecer los requisitos de dosificación de fosfato en función de la calidad del agua y los objetivos de tratamiento.

Los polifosfatos pueden revertirse a ortofosfatos dependiendo de la temperatura del agua y el tiempo de residencia en el sistema de distribución.

Por lo tanto, a menudo se recomienda una dosis ligeramente mayor de polifosfato para compensar esta reversión. Una edad del agua de dos a tres días suele ser aceptable, ya que la reversión del polifosfato puede acelerarse después de tres a cinco días de residencia.

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