Implementación de sistemas de carbón activado granular: consideraciones importantes de diseño y puesta en marcha.
Por Scott A. Grieco
Dado que el
carbón activado granular (GAC) se emplea cada vez más para tratar las PFAS, los
nuevos profesionales pueden mejorar sus resultados al saber qué esperar,
gracias a los datos y la experiencia adquiridos en instalaciones anteriores.
El impacto
de las sustancias perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS) y otros
contaminantes emergentes (CE) en el agua potable ha hecho que muchas empresas
de agua implementen tecnologías de tratamiento adicionales. Uno de los
tratamientos más utilizados para la eliminación de ciertos PFAS es el carbón
activado granular (GAC). Sin embargo, muchas empresas de agua potable,
especialmente aquellas que utilizan recursos de agua subterránea, a menudo solo
emplean desinfección y, por lo tanto, no están familiarizadas con el uso de
tecnologías de tratamiento como GAC.
Hay cinco
aspectos de la implementación de un sistema GAC que no son bien entendidos por
aquellos que no diseñan u operan regularmente sistemas GAC:
- Requerimientos de Remojo
- Requisitos de retrolavado
- Ajuste periódico del pH
- Contenido de arsénico
- Desinfección
Requerimientos
de Remojo
Cuando se
agrega nuevo GAC al sistema, está seco y el espacio vacío externo y los
espacios porosos internos se llenan de aire. El material GAC solo ocupa el 20%
del volumen del lecho; el resto es aire. Los poros internos de GAC son
aproximadamente el 40% del volumen del lecho de GAC. El remojo permite que el
agua se difunda en los poros y desplace el aire atrapado. Debido a que las
superficies de GAC son hidrófobas, se necesita un tiempo razonablemente largo
para humedecer los poros de carbono y desplazar el aire. La cantidad de tiempo
necesaria es función de la temperatura y el tamaño de la malla de carbono. Las
temperaturas más altas permiten una difusión más rápida; a la inversa, las
partículas más grandes tienen poros más largos y requieren más tiempo para su
difusión.
Figura 1.
Ejemplo de curvas de humectación para GAC bituminoso de malla 8x30 y 12x40. (Fuente:
Calgon Carbon Corporation)
Requisitos
de retrolavado.
Se requiere
un lavado a contracorriente del GAC recién instalado para eliminar los finos de
carbón y estratificar el lecho. La estratificación permite que las partículas
de carbono más grandes se asienten en el fondo del recipiente y proporcionen
una distribución vertical del tamaño de las partículas. Los procedimientos de
retrolavado recomendados pueden variar de un proveedor a otro, pero hay tres
aspectos importantes que deben seguirse:
- El caudal de retrolavado específico requerido depende de la temperatura del agua y del producto GAC específico instalado.
- La incorporación de un período de aceleración separa suavemente el carbono y elimina el aire atrapado.
- La incorporación de un período de reducción permitirá la estratificación del GAC.
La Tabla 1
proporciona los requisitos generales que deben planificarse en el diseño y
operación del sistema. El agua de retrolavado debe estar limpia y libre de
sólidos. Los requisitos específicos dependerán del producto de carbono, el pH y
la capacidad amortiguadora del agua, y los valores de pH objetivo. El efluente
del retrolavado debe descargarse por alcantarillado o recolectarse para su
descarga / eliminación, según la configuración.
Se debe
apuntar a una expansión del lecho del 25% al 30% para el
lavado a contracorriente. Las siguientes son pautas generales para el lavado a
contracorriente:
Período de aceleración de 5 min. con una expansión del 0% al 15%
- Periodo de retrolavado de 20 a 25
min.
- Período de desaceleración de 5
min. con una expansión del 15% al 0%
Las tasas de flujo inverso para fluidizar el lecho en términos de gpm / ft2 están disponibles para los medios específicos utilizados a la temperatura del agua del sistema. Estos deben usarse para cuantificar la cantidad de agua de retrolavado requerida. Debido a que el agua es más densa a temperaturas más frías, requiere menos caudal volumétrico para fluidizar el lecho. Es importante tener en cuenta la temperatura del agua. Si el caudal utilizado es superior al recomendado para la temperatura dada, es muy posible que el medio se pueda lavar fuera del recipiente.
Se debe enfatizar que la razón principal para realizar un lavado a contracorriente en carbón nuevo es eliminar las partículas finas. Como tal, el agua de retrolavado a menudo contiene concentraciones elevadas (> 50 mg / L) de sólidos suspendidos totales (TSS). También es típico que la mayor concentración se libere dentro de los primeros 5 minutos de retrolavado, con concentraciones de TSS decrecientes en función del tiempo de retrolavado.
Ajuste periódico del pH.
A menudo, la
puesta en marcha de los sistemas GAC exhibe incrementos inaceptables en el pH
del efluente, lo que puede resultar en que el pH del efluente exceda los valores
permitidos. No es raro observar valores superiores a 9,5 o 10 unidades estándar
(S.U.). El grado de variación del pH depende de la calidad del agua
(principalmente el pH inicial y la capacidad de amortiguación).
También se ha demostrado que el aumento del pH es en gran medida independiente del material básico de GAC y de si el fabricante ha lavado con ácido el carbono o no (Farmer, 1996). La causa del pH alto se debe a los grupos funcionales de la superficie del proceso de activación de GAC, que impulsan la protonación (atracción de H +) y, por lo tanto, elevan los valores de pH del agua.
Observe que el pH disminuye en función del tiempo de ejecución. Esto se debe a que después de la protonación, la superficie se neutraliza con la carga de los aniones (cloruro, sulfato, etc.) presentes en el agua (Farmer, 1996). El pH del efluente se puede elevar de 200 a 500 volúmenes de lecho. Además, este pH elevado puede resultar en la lixiviación de aluminio, manganeso y otros metales de transición del carbono reactivado (Desotec, 2020).
La recirculación puede limitar la cantidad de volúmenes de lecho necesarios para obtener un pH neutro, pero el mejor curso de acción es el lavado directo con agua afluente. En la mayoría de los escenarios, el lavado requerido puede requerir de dos a tres días de operación continua para desperdiciarse. Por lo tanto, siempre es mejor planificar la conexión al alcantarillado en el diseño. Sin embargo, si no se dispone de una conexión de alcantarillado, se requerirá la recolección temporal para su descarga / eliminación. La tabla general anterior de Farmer et al. proporciona una idea general de los materiales base.
Tabla 1 pH.
Tipo de carbón activado, pH inicial y volúmenes de enjuague necesarios para la estabilización
del pH (Adaptado de Farmer et. al., 1996)
Como puede
verse en la Tabla 1, el lavado con ácido puede reducir el volumen de enjuague
necesario para reducir el pH del efluente a un nivel aceptable. Sin embargo, el
lavado con ácido solo a menudo no es suficiente para eliminar los valores de pH
del efluente inicialmente elevados. También hay disponibles productos
estabilizados con pH. Estos pueden reducir o eliminar significativamente la
cantidad de tiempo de enjuague. El carbón debe tener una especificación
adicional de un "pH de contacto modificado" máximo para mostrar que
es un producto con pH estabilizado.
Los
resultados de la neutralización del pH de un sistema diseñado por Jacobs se
muestran en la Figura 2.
Como se
puede ver en estos ejemplos, el pH inicial del efluente de GAC osciló entre 8.8
y 9.2 S.U. El sitio A (que se muestra en rojo) es un producto a base de coco,
mientras que el sitio B (que se muestra en azul) es un producto a base de
bituminoso. La fuente de agua también parece más amortiguada en el Sitio A, que
requirió un mayor volumen de descarga (~ 70 volúmenes de lecho [BV]) hasta que
el pH comenzó a disminuir. Esto resultó en un volumen de descarga total
requerido de 130 BV. El agua de la fuente del sitio B está menos amortiguada y
comenzó a disminuir dentro de los 5 BV y requirió alrededor de 50 BV para
estabilizar el pH en el valor del afluente de 8.1 S.U.
Estos
ejemplos muestran que la información proporcionada originalmente por Calgon
Carbon en la tabla puede ser conservadoramente alta pero útil para la
planificación del peor de los casos. El volumen real requerido será una función
del tipo de material de GAC real, el lote de producto recibido y la fuerza de
amortiguación del agua afluente.
Figura 2. pH
frente a volúmenes del lecho (datos del enjuague de una sola pasada [no
recirculado]) (Fuente: Jacobs)
Contenido de
arsénico
Todo el
carbón contiene algo de arsénico, que está presente principalmente en el
mineral pirita intercalado en el carbón (USGS, 2005). Esto significa que los
productos bituminosos y subbituminosos ampliamente utilizados a menudo
contienen arsénico. A menudo se piensa que es menos probable que el GAC a base
de coco contenga arsénico. Sin embargo, como las cáscaras de coco que se
utilizan para producir GAC a menudo se cosechan en lugares con suelo rico en
arsénico, el cocotero absorberá el arsénico y lo concentrará en la cáscara del
coco.
En un
estudio publicado en Water Conditioning & Purification, 16 de 20 GAC
bituminosos y 11 de 19 de coco dieron como resultado niveles detectables de
arsénico después de las pruebas de lixiviación. Como tal, cuando el GAC se
coloca en línea, independientemente de la fuente del material base, existe una
alta probabilidad de que el arsénico lixiviable presente en la superficie del
carbón activado pueda transferirse al líquido y terminar en el agua potable.
Por lo tanto, a menudo se requiere una descarga de GAC para drenar.
La Figura 3
muestra los resultados de una puesta en marcha reciente con un producto
bituminoso.
Los diversos
conjuntos de datos representan diferentes recipientes dentro del sistema
general. Cada buque recibió el mismo producto bituminoso pero de varios lotes
de proveedores. Como puede verse, la concentración inicial de arsénico osciló
entre 8 y 20 μg / L. Para cada recipiente, la concentración de arsénico efluente se
redujo a menos de 5 μg / L en menos de 30 BV. Esto respalda que el lavado de arsénico se puede
lograr dentro del mismo proceso que se requiere para el pH.
El GAC
lavado con ácido suministrado por el fabricante puede reducir o eliminar la
necesidad de enjuague, pero es más caro. Y dado que con mayor frecuencia se
requiere un lavado de pH (como se discutió anteriormente), es posible que no
siempre se justifique gastar dinero extra en carbón lavado con ácido para
reducir el arsénico.
Figura 3.
Concentración de arsénico frente al volumen del lecho de arranques bituminosos
de GAC (Fuente: Jacobs)
Desinfección
La
desinfección de recipientes de adsorción vacíos, tuberías y otros equipos se
debe lograr mediante la cloración según los procedimientos AWWA estandarizados
(ANSI / AWWA C653-97).
Aunque la
activación del GAC ocurre a altas temperaturas (800– 1000 ° C) y destruye toda
la contaminación bacteriológica en la materia prima, es posible que el GAC se
contamine durante el transporte. Así, antes de su puesta en servicio, el GAC
debe ser evaluado para verificar que esté libre de contaminación
bacteriológica. Después de instalar, remojar, lavar a contracorriente y
enjuagar el GAC como se describe anteriormente, es necesario verificar el
sistema para detectar la presencia de bacterias mediante un procedimiento de
enjuague.
El enjuague
debe realizarse a la tasa de flujo de diseño que corresponda a un tiempo de
contacto de lecho vacío (EBCT) de 10 minutos. Se recolectarán dos muestras para
análisis bacteriano (recuento en placa de coliformes y / o heterótrofos [HPC])
del efluente de GAC a los 10 minutos y 60 minutos de enjuague (o un intervalo
alterno con no menos de 30 minutos de diferencia). Los niveles de HPC
inferiores a 500 unidades formadoras de colonias por mililitro (ufc / ml) se
consideran aceptables, pero se deben considerar las regulaciones específicas de
cada estado.
Si el
sistema requiere desinfección, se puede lograr agregando una solución de
hipoclorito de sodio al 5% al recipiente de GAC. Sin embargo, el carbón descompone
rápidamente el ion hipoclorito, que puede competir con el proceso de
desinfección bacteriana. Alternativamente, el pH del recipiente de GAC se puede elevar
a> 12 usando hidróxido de sodio (NaOH). La
cantidad de sosa cáustica necesaria depende del pH del agua, la capacidad de
amortiguación y el tamaño del recipiente. Se recomienda recircular la solución
durante 2 a 3 horas seguido de un remojo durante al menos 8 horas. Durante este
proceso, el pH debe mantenerse en un valor> 12. La solución debe
neutralizarse con ácido clorhídrico, circular, remojar y verter al drenaje.
Resumen
A medida que
más empresas de servicios públicos están considerando GAC para el tratamiento
de PFAS, hay aspectos de la puesta en marcha del sistema GAC que no se
publicitan ampliamente, y el diseñador y el operador deben estar al tanto de
estos elementos críticos.
La
consideración del remojo, el retrolavado, la neutralización del pH, el enjuague
con arsénico y la desinfección deben considerarse como parte del diseño de un
sistema GAC. Se recomienda la conexión a una alcantarilla para el nuevo sistema
GAC. Sin embargo, para los sistemas en ubicaciones remotas, puede ser necesario
la recolección temporal de agua y el transporte / eliminación en una planta de
tratamiento de aguas residuales cercana.
Referencias:
Farmer, R. W., Dussert,
B. W., & Kovacic, S. L. (1996). Improved granular activated carbon for the
stabilization of wastewater pH, Spring Tech. Meet., Am. Chem. Soc., Div. Fuel
Chem. 41:456–460.
Desotec, https://www.desotec.com/en/carbonology/carbonology-academy/activatedcarbon-ph-acidity.
Gandy, N.F., and Maas,
R.P. (2004). Extractable Arsenic from Activated Carbon Drinking Water Filters,
Water Conditioning & Purification. http://archive.wcponline.com/pdf/1104
arsenic.pdf
USGS, U.S. Geological
Survey Fact Sheet 2005-3152. (2005). https://pubs.usgs.gov/fs/2005/3152/index.html
Schuliger, W., Nowicki,
H.G., Sherman, B., & Nowicki, H. (2010), Granular Activated Carbon Not
Working?, www.wqpmag.com, October, 2010.
