Diseño y puesta en marcha de una planta piloto de filtración, para el estudio de la capacidad de adsorción de sustancias sápidas presentes en el agua destinada a consumo humano, en diferentes tipos de carbón activo granular, basado en la metodología Rapid Small-Scale Column Test (ASTM D6586)

Abstract

El agua destinada a consumo humano debe ser potable y cumplir con los requisitos de calidad fijados en el Real Decreto 140 /2003. Entre sus características debe cumplir que sea incolora, inodora e insípida así como libre de patógenos susceptibles de provocar enfermedades al consumidor final. Se ha determinado que la geosmina y el 2-metilisoborneol, entre otros, son los compuestos responsables de la presencia de olor y sabor a tierra en el agua, que perjudican a la calidad organoléptica de la misma. La empresa de tratamiento del agua plantea la realización de un estudio con el fin de verificar si el carbón activo que utiliza en la actualidad es adecuado para este propósito así como estudiar la propuesta de sustituirlo con varios carbones activos alternativos disponibles en el mercado. El proyecto de investigación planteado por la empresa tiene dos fases: una primera que constituye el estudio preliminar de selección de carbón, diseño y construcción de la instalación y una segunda fase que constituye la realización de los ensayos en las columnas y la interpretación de los resultados. El presente TFG está orientado al diseño y puesta en marcha de la instalación para el estudio de la eliminación de geosmina mediante adsorción con carbón activo granular.

La primera etapa del estudio engloba la selección del carbón activo a utilizar en los ensayos. Para ello se tienen en cuenta principalmente aspectos económicos, además de parámetros técnicos según la bibliografía consultada acerca de las propiedades principales relacionadas con la adsorción de contaminantes específicos como la geosmina. También se introduce un carbón activo granular de lignito para comparar sus propiedades respecto al carbón activo bituminoso. En segundo lugar se realizará el proceso del acondicionamiento del carbón activo granular, mediante la molienda y el tamizado para lograr el tamaño óptimo de partícula para los ensayos. En la optimización del protocolo de acondicionamiento también se tendrá en cuenta los resultados de la realización de pruebas hidráulicas con el carbón resultante con el fin de determinar su comportamiento en columna. Una vez definidas estas variables se procederá a la realización del diseño de las columnas y a su montaje teniendo en cuenta que los ensayos se basarán en el método Rapid Small-Scale Column Test y la norma ASTM D6586 ¿ 03(2014). A partir del diseño y los parámetros de funcionamiento de los filtros reales de planta se lleva a cabo el diseño de las columnas a escala piloto, a partir de la norma anteriormente mencionada, y una vez determinado el tamaño de partícula óptimo para el carbón activo granular, se determina el tiempo de contacto, la velocidad superficial y la duración total del ensayo. Una vez determinados estos valores se calcula el caudal de agua filtrado, la altura del lecho de carbón y la masa del mismo.

Previamente a la realización de los ensayos, se estudiará la preparación de agua filtrada dopada con geosmina sólida, y la repetibilidad y reproducibilidad del procedimiento de preparación así como las variables que influyen en el mismo. Se llevará a cabo la alimentación de las columnas vacías en continuo con agua dopada para determinar la posible adsorbancia del material. Para finalizar, se llevará a cabo la puesta en marcha del montaje alimentando las seis columnas con un caudal en continuo. Como conclusión se determinarán posibles mejorar que implementar en dicho montaje.

Los resultados del presente trabajo constituyen el trabajo previo para lograr el objetivo final de la empresa que es realizar el estudio de la capacidad de adsorción de los distintos carbones con el fin de verificar su potencial para la eliminación de geosmina del agua destinada a consumo humano.

Water for human consumption must be drinkable and comply with the quality requirements established in the Spanish Royal Decree 140/2003. Among its characteristics, it must comply with the fact that it is colorless, odorless and insipid, as well as free of pathogens susceptible to causing illnesses to the final consumer. It has been determined that geosmin and 2-methyl isoborneol, among others, are the compounds responsible for the presence of odor and earthy taste in water, which impair the organoleptic quality of the water. The water treatment company proposes a study in order to verify if the active carbon currently used is suitable for this purpose and to study the proposal of replacement with several alternative active carbons availables in the market. The research project proposed by the company has two phases: a first one that constitutes the preliminary study of active carbon selection, design and construction of the installation and a second phase that constitutes the realization of the tests in the columns and the interpretation of the results. The present Bachelor science thesis is oriented to the design and commissioning of the installation for the study of the elimination of geosmin by adsorption with granular activated carbon.

The first stage of the study includes the selection of active carbon to be used in the test. For this, economic aspects are taken into account, in addition to technical parameters according to the consulted bibliography about the main properties related to the adsorption of specific contaminants such as geosmin. A lignite granular active carbon is also introduced to compare its properties with respect to bituminous activated carbon. Second, the conditioning process of the granular active carbon will be carried out, by grinding and sieving it to achieve the optimum particle size for the tests. In the optimization of the conditioning protocol, the results of the hydraulic tests with the carbon will also be taken into account in order to determine its behavior in the column test. Once these variables have been defined, the design of the columns and their assembly will be carried out bearing in mind that the tests will be based on the Rapid Small-Scale Column Test method and the ASTM D6586-03 (2014) standard. Based on the design and operating parameters of the actual plant filters, the design of the pilot-scale columns is carried out, based on the aforementioned standard, and once the optimum particle size for granular activated carbon has been determined , the contact time, the superficial velocity and the total duration of the test are determined. Once these values are determined, the flow rate of filtered water, the height of the coal bed and the mass of the same is calculated.

Before carrying out the tests, it will be studied the preparation of filtered water doped with solid geosmin, and the repeatability and reproducibility of the preparation procedure as well as the variables that influence it. The continuous feeding of the empty columns with doped water will be carried out to determine the possible adsorbance of the material. To finish, the start-up of the assembly will be carried out by feeding the six columns with a continuous flow. In conclusion, possible improvements will be determined to be implemented in said assembly.

The results of the present research constitute the previous work to achieve the final objective of the company that is to carry out the study of the adsorption capacity of the different coals in order to verify their potential for the elimination of geosmin from the water destined for human consumption.