Eliminación del fósforo de las aguas residuales: el papel del cloruro de hierro (III)

El fósforo es un elemento indispensable para los seres vivos, pero su llegada en cantidades excesivas a las masas de agua altera su equilibrio. Por ello, las plantas de tratamiento de aguas residuales, tanto municipales como industriales, están obligadas a reducir el fósforo antes de su vertido. La precipitación química con sales de hierro es uno de los métodos más utilizados para lograrlo, y la más conocida de estas sales es el cloruro de hierro (III) (conocido científicamente como cloruro férrico, Iron(III) Chloride o Ferric Chloride).

Este artículo aborda la lógica operativa de la eliminación del fósforo mediante el cloruro de hierro (III), con el fin de ayudar a los operadores e ingenieros a comprender la adición previa a las pruebas de dosificación y a calcular la dosis. En cuanto a las propiedades de la propia sustancia y su comparación con el alumbre, hay dos artículos independientes al respecto en la web.

¿Por qué se regula el fósforo?

La eutrofización es el enriquecimiento del agua con nutrientes, especialmente compuestos de nitrógeno y fósforo, lo que provoca un crecimiento acelerado de algas y plantas acuáticas que altera el equilibrio de los organismos acuáticos y la calidad del agua. Las densas floraciones de algas provocan una disminución de los alimentos y los hábitats disponibles para los organismos acuáticos. Cuando las algas mueren y se descomponen, disminuye el oxígeno disuelto, lo que puede provocar la muerte de los peces.

Por ello, la legislación establece límites para el vertido de fósforo. A modo de ejemplo de cómo se formulan estos límites, la Directiva europea sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas (91/271/CEE) exige, para los vertidos en zonas sensibles a la eutrofización, una de las dos condiciones siguientes o ambas, según la situación local: una concentración máxima de fósforo total de 2 mg/l para las depuradoras que dan servicio a entre 10 000 y 100 000 habitantes equivalentes, y de 1 mg/litro para las de más de 100 000, o una reducción de al menos el 80 %. Los límites varían de un país a otro y de un curso de agua a otro, por lo que debes consultar la autorización de vertido vigente en tu localidad.

¿Cómo elimina el cloruro de hierro (III) el fósforo?

El agente activo en este caso es el ion de hierro (III). Si se utiliza hierro (II), este solo será eficaz tras su oxidación a hierro (III). La representación simplificada de la reacción se resume en que el ion hierro (III) se combina con el fosfato (ortofosfato disuelto) para formar fosfato de hierro (III) FePO₄, poco soluble, que se separa mediante sedimentación o filtración. Esta fórmula supone que cada mol de hierro elimina un mol de fósforo.

Sin embargo, la realidad es más compleja. El ion de hierro (III) se hidroliza al mismo tiempo, formando un precipitado de hidróxido de hierro (III), y esta hidrólisis compite con la formación del fosfato de hierro (III). Estos precipitados capturan el fosfato por adsorción y por la sedimentación asociada. Los estudios difieren en cuanto a cuál de las dos vías predomina en las distintas condiciones, pero coinciden en que el hierro añadido se distribuye entre ambas reacciones, y en que para alcanzar un nivel bajo de fósforo residual se necesita más hierro del calculado teóricamente. Volveremos sobre este punto en el apartado de la proporción molar.

¿Dónde se añade? Tres puntos principales

No hay una opción que sea siempre la mejor, y algunas plantas combinan más de una. La elección depende del límite requerido, de las unidades existentes, de la sensibilidad de los lodos activos y del método de tratamiento de los lodos.

Relación hierro-fósforo (Fe:P)

La dosis se expresa normalmente como una relación molar entre el hierro y el fósforo que se desea eliminar:

• En teoría, un mol de hierro por cada mol de fósforo (1:1), es decir, unos 1,8 gramos de hierro por cada gramo de fósforo (calculado a partir de las masas atómicas: Fe = 55,845 y P = 30,974).
• En la práctica, la relación molar suele oscilar entre 1 y 3 cuando el fósforo residual en las aguas secundarias es superior a 0,5 mg/l, y algunas fuentes indican que, para la adición posterior, se deben aplicar entre 1,5 y 2,5 moles por cada mol de fósforo.
• Cuanto más bajo sea el objetivo, mayor será la proporción. De hecho, para alcanzar un fósforo residual muy bajo se necesitan dosis mucho más elevadas que las calculadas teóricamente, y puede ser necesario un filtrado posterior.

Ejemplo de cálculo ilustrativo, no una recomendación de dosis: para eliminar 4 mg/l de fósforo (en forma de ortofosfato) con una relación molar de 1,5, se necesitan unos 10,8 mg/l de hierro. Dado que el contenido de hierro en la solución de cloruro de hierro (III) al 40 % de Egy Chem Hub oscila entre el 13 % y el 14 % en peso, esto equivale a entre 77 y 83 gramos de solución por metro cúbico. La dosis efectiva dependerá de la prueba de dosificación, ya que la dosis óptima varía en función de la concentración de fosfato, el pH y la composición del agua.

Para obtener una base sólida para el cálculo:

• Determina la forma de fósforo que se desea eliminar: ortofosfato disuelto o fósforo total, incluido el particulado.
• Utiliza una sola unidad de referencia para la comparación: kg de hierro, kg de FeCl₃ anhidro o kg de solución.
• La fórmula FeCl₃ corresponde al compuesto anhidro, mientras que el producto comercial es una solución acuosa, por lo que se toma como referencia su contenido en hierro indicado en la ficha técnica.

Alcalinidad y pH

El cloruro de hierro (III) consume la alcalinidad del agua al descomponerse, y el valor publicado oscila entre aproximadamente 0,92 y 0,93 mg/l (como CaCO₃) por cada 1 mg/l de FeCl₃ anhidro. Según el cálculo equivalente, esto equivale a unos 2,7 mg/l (como CaCO₃) por cada 1 mg/l de hierro. En el ejemplo anterior (10,8 mg/l de hierro), esto supone un consumo de aproximadamente 29 mg/l de alcalinidad, cifra que se considera un límite aritmético aproximado.

Importancia de esto en la planta:

• En la adición simultánea, el pH del tanque biológico puede descender hasta un nivel insoportable para los microorganismos; por ello, se han realizado algunos estudios de laboratorio con la adición de bicarbonato de sodio para compensar la alcalinidad.
• La baja alcalinidad del agua bruta requiere estimar el coste de su compensación (cal, sosa o bicarbonato) dentro del coste total, y no solo el precio de la solución en sí.
• Se controla el pH inmediatamente después del punto de adición y en el tanque biológico, y se determina en el momento si es necesaria la compensación.

Efecto de la adición sobre los lodos

Toda precipitación química del fósforo aumenta la cantidad de lodos. El hierro añadido se transforma en hidróxido y fosfato insolubles que se acumulan en los lodos. Para calcular el límite máximo teórico: cada 1 mg de hierro produce, en el caso más extremo, unos 1,9 mg de hidróxido de hierro (III) (calculado en seco), masa que se suma a los lodos generados antes de tener en cuenta el agua asociada a ellos.

Las fuentes indican que aumentar la dosis por encima de lo necesario eleva tanto el coste como la cantidad de lodos. En cuanto al efecto del hierro en la capacidad de deshidratación de los lodos, las fuentes disponibles no coinciden en una regla general. Por lo tanto, este efecto se mide en los propios lodos de la planta antes de establecer el punto de adición.

Breve comparación con la eliminación biológica

La eliminación biológica potenciada del fósforo (EBPR) se basa en organismos en los que se acumulan compuestos de fosfato y cuyo entorno alterna entre condiciones anaeróbicas y aeróbicas. En la zona anaeróbica, necesitan una fuente de carbono de fácil consumo, como los ácidos grasos volátiles, y otros organismos compiten con ellos por este carbono. Por ello, su rendimiento se ve afectado por la composición de las aguas residuales y por las condiciones de funcionamiento.

Por su parte, la precipitación química se caracteriza por ser rápida y no requerir modificaciones en el proceso biológico, y el operador controla el resultado ajustando la dosis. A cambio, la planta incurre en un gasto continuo en productos químicos y genera más lodos. Por ello, muchas plantas combinan ambos métodos: eliminación biológica de una gran parte del fósforo y precipitación química como etapa de refinado o de refuerzo para alcanzar el límite requerido. La elección entre ambas opciones depende de los costes de inversión y de explotación, así como de las condiciones específicas de cada planta.

Precauciones operativas

1. La prueba de dosificación con agua real es fundamental para determinar la dosis óptima y el punto de adición, y debe repetirse cuando cambie la composición del agua.
2. Mezcla rápida en el punto de inyección: Los estudios de laboratorio demuestran que el hierro añadido directamente al agua que contiene fosfato es más eficaz para eliminarlo que el hidróxido de hierro (III) preparado previamente; por ello, el punto de inyección se diseña de manera que la solución se disperse rápidamente en el agua.
3. Evitar la sobredosis: aumenta el coste y los lodos, y requiere revisar los límites de hierro residual en las aguas residuales, si así se especifica en la autorización.
4. Materiales y manipulación: La solución es ácida y muy corrosiva para los metales. En los depósitos, bombas y líneas de inyección deben utilizarse materiales no metálicos o con un revestimiento adecuado. La ficha de datos de seguridad indica que no debe almacenarse junto con metales, álcalis ni sustancias reductoras, y advierte de la posibilidad de que se generen grandes cantidades de hidrógeno al entrar en contacto con metales como el aluminio y el zinc.
5. Seguridad: La versión 2 de la ficha de datos de seguridad (FDS) de la solución de cloruro de hierro (III) al 40 % de Egy Chem Hub clasifica este producto como potencialmente corrosivo para los metales (H290), nocivo en caso de ingestión (H302), y que provoca quemaduras graves en la piel y daños en los ojos (H314), así como daños graves en los ojos (H318). Es obligatorio el uso de guantes, protección ocular y facial, así como ropa de protección, y consultar la ficha de datos de seguridad antes de su manipulación.

Solución de cloruro férrico (III) al 40 % de Egy Chem Hub

Egy Chem Hub suministra una solución de cloruro férrico (III) al 40 % (Ferric Chloride Solution 40 %, nombre comercial ECH-FR4014), una solución acuosa de color marrón rojizo que se utiliza como coagulante en el tratamiento de agua potable, agua de proceso y aguas residuales. La ficha técnica (TDS) indica las siguientes características:

• Concentración de hasta el 40 % (±2 %) en peso, es decir, 400 g/kg, lo que equivale a unos 568 g/litro con una densidad relativa de 1,42.
• Contenido de hierro del 13 al 14 %, de hierro bivalente hasta un 1 % y de acidez libre hasta un 1 %.
• Densidad relativa de 1,42 (±0,02) a 20 °C; se disuelve completamente en agua.
• La dosis óptima se determina mediante una prueba de dosificación, y puede inyectarse concentrado o tras su dilución.

Se envasa en barriles de HDPE de 280 kg y en contenedores IBC de 1.400 kg, y está disponible a granel. Procedente de Egipto, con una vida útil de 12 meses y un pedido mínimo de un barril (280 kg). El producto se fabrica en una planta certificada por la NSF según la norma NSF/ANSI/CAN 60 para aplicaciones de coagulación y floculación en el tratamiento de agua potable. La concentración máxima de uso registrada en la lista de la NSF es de 100 mg/l, calculada sobre la base de FeCl₃ (según datos de Egy Chem Hub) para aplicaciones en agua potable, y no sirve para determinar las dosis de vertido. Las fichas técnicas (TDS y SDS) están disponibles previa solicitud.

Contacto

Para solicitar un presupuesto o las especificaciones técnicas de la solución de cloruro de hierro (III) al 40 %, ponte en contacto con el equipo de Egy Chem Hub y adjunta los datos de que dispongas sobre tu agua: nivel y forma del fósforo, alcalinidad, punto de adición propuesto y límite de vertido requerido.