El Desafío del Agua de Pozo: Guía Técnica sobre la Oxidación y Remoción de Hierro y Manganeso

Introducción

El tratamiento del agua de pozo que presenta altas concentraciones de hierro (Fe), superiores a 3 ppm (mg/L), y manganeso (Mn), por encima de 1 ppm (mg/L), constituye uno de los desafíos más significativos en el campo de la potabilización. Estas concentraciones exceden con creces los límites estéticos y operativos recomendados por la normativa colombiana, específicamente la Resolución 2115 de 2007 (enmarcada en el Decreto 1575 de 2007), que establece máximos de 0.3 mg/L para hierro y 0.1 mg/L para manganeso.¹ Los sistemas de tratamiento convencionales, como los ablandadores de agua o los filtros de sedimentos simples, resultan insuficientes y se ven rápidamente obstruidos o inutilizados por la carga contaminante.³ La problemática, por lo tanto, exige la implementación de soluciones de ingeniería robustas y de grado industrial, capaces de manejar estas condiciones extremas.

Los imperativos para un tratamiento eficaz son tanto estéticos como operativos. Desde el punto de vista estético, el hierro y el manganeso provocan manchas persistentes de color rojo-marrón y negro, respectivamente, en la ropa, los accesorios de plomería y la vajilla.³ Además, imparten un sabor metálico desagradable al agua y pueden reaccionar con compuestos como los taninos en el té y el café, produciendo un color oscuro y un lodo indeseable. Desde una perspectiva operativa, las consecuencias son aún más graves. La precipitación de estos metales en su forma oxidada genera depósitos y incrustaciones que obstruyen tuberías, válvulas, rociadores y electrodomésticos, reduciendo drásticamente la eficiencia hidráulica y la vida útil de la infraestructura.⁶ Este fenómeno puede llevar a fallas críticas en sistemas de riego, equipos industriales y redes de distribución de agua potable.

Para abordar este complejo desafío, se ha desarrollado un tren de tratamiento sinérgico que combina principios de química, catálisis y filtración avanzada. Este informe técnico proporciona una guía exhaustiva sobre esta solución integrada, que consiste en:

Oxidación y Coagulación Instantánea: Una etapa inicial de transformación química y desestabilización de coloides que ocurre en el momento en que el agua ingresa al sistema.
Clarificación Catalítica en Manto de Lodos con Recirculación Hidráulica: El corazón del proceso, donde la coagulación, la floculación y la oxidación catalítica se intensifican en un reactor de contacto de sólidos sin partes móviles.
Filtración Final por Gravedad en Lecho Dual Autolavable: Una etapa de pulido robusta y de bajo mantenimiento que utiliza capas de antracita y arena para garantizar una calidad de agua excepcional.

La eficacia de este sistema no reside en la simple suma de sus partes, sino en la interacción sinérgica entre ellas. Cada etapa prepara el agua de manera óptima para la siguiente, creando un proceso integrado capaz de tratar de manera fiable y eficiente las aguas subterráneas más problemáticas.

1. Comprendiendo al Adversario: La Química del Hierro y Manganeso en Aguas Subterráneas

Para diseñar un sistema de tratamiento efectivo, es imperativo comprender la química fundamental que gobierna el comportamiento del hierro y el manganeso en el entorno de las aguas subterráneas. El desafío no radica únicamente en la presencia de estos metales, sino en su estado químico, que determina su solubilidad y, por ende, la estrategia para su remoción.

1.1. Estados de Oxidación: La Clave de la Solubilidad

El hierro y el manganeso existen en el agua en diferentes estados de oxidación, lo que define si están disueltos e invisibles o si han precipitado como partículas sólidas.⁵

Hierro (Fe): En las aguas subterráneas, el hierro se encuentra predominantemente en dos formas:

Hierro Ferroso (Fe2+): Esta es la forma reducida y soluble del hierro.⁹ En las condiciones anóxicas (bajas en oxígeno) típicas de los acuíferos profundos, el hierro existe como ion ferroso. En este estado, el agua puede parecer perfectamente clara al ser extraída del pozo, ya que el metal está completamente disuelto.⁵
Hierro Férrico (Fe3+): Esta es la forma oxidada e insoluble. Cuando el agua de pozo entra en contacto con un agente oxidante, como el cloro, el Fe2+ se convierte en Fe3+.⁹ Este ion se hidroliza casi instantáneamente para formar hidróxido férrico,
Fe(OH)3, un precipitado sólido de color rojizo o marrón que es el responsable de la turbidez y el color característicos del “agua roja de hierro”.⁵
Manganeso (Mn): La química del manganeso es análoga pero presenta desafíos adicionales:

Manganeso Manganoso (Mn2+): Similar al hierro ferroso, esta es la forma reducida y soluble que se encuentra disuelta en las aguas subterráneas.⁵
Manganeso Mangánico (Mn4+): Al ser oxidado, el Mn2+ se convierte principalmente al estado de oxidación +4, precipitando como dióxido de manganeso, MnO2. Este compuesto es un sólido insoluble de color marrón oscuro o negro.⁵
Formas Coloidales: Es importante destacar que ambos metales también pueden existir en estado coloidal, es decir, como partículas extremadamente pequeñas que no se asientan fácilmente por gravedad y a menudo están complejado con materia orgánica natural, lo que complica su eliminación.⁵

1.2. Impacto Detallado de las Altas Concentraciones

Las concentraciones de hierro y manganeso que aborda esta guía van más allá de ser una simple molestia, causando problemas severos y costosos.

Problemas Estéticos:

Manchas: La precipitación de Fe(OH)3 y MnO2 causa manchas antiestéticas y difíciles de eliminar. El hierro deja manchas rojas, naranjas o marrones, mientras que el manganeso produce manchas marrones oscuras o negras en la ropa, los accesorios de plomería y la vajilla.³
Sabor y Olor: Ambos metales confieren al agua un sabor metálico pronunciado y desagradable.⁶
Color y Apariencia: El agua puede adquirir un color rojizo o negruzco. Además, los metales reaccionan con los taninos presentes en bebidas como el té y el café, dándoles un aspecto turbio.
Problemas Operativos y de Infraestructura:

Obstrucción y Corrosión: Los precipitados de óxidos metálicos se acumulan en el interior de las tuberías, formando incrustaciones que reducen el diámetro efectivo, disminuyen la presión del agua y pueden llegar a obstruir completamente las conducciones, válvulas y componentes de electrodomésticos.⁶
Biofouling (Biopelículas): El agua rica en hierro es un caldo de cultivo ideal para las “bacterias del hierro”. Estos microorganismos se alimentan del hierro ferroso (Fe2+) para su metabolismo, produciendo como subproducto un limo o “cieno” rojizo y viscoso conocido como biopelícula.³ Esta biopelícula no solo agrava los problemas de obstrucción, sino que también puede crear un ambiente anaeróbico que fomenta la corrosión.⁶
Consideraciones de Salud: Aunque el hierro y el manganeso no se consideran tóxicos en los niveles que normalmente se encuentran en el agua potable, su presencia en altas concentraciones plantea preocupaciones secundarias para la salud.

La exposición a niveles elevados de manganeso se ha asociado con posibles efectos negativos en el desarrollo neurológico, especialmente en bebés y niños pequeños.³
Un riesgo indirecto pero significativo es que las capas de óxidos de hierro y manganeso acumuladas en las tuberías pueden adsorber otros metales pesados más peligrosos, como el arsénico o el plomo. Cambios en la química del agua pueden provocar la liberación repentina de estos contaminantes acumulados.⁴

1.3. El Reto Cinético: Por Qué el Manganeso es Más Difícil de Eliminar

Una distinción fundamental y crítica para el diseño del tratamiento es la diferencia en la velocidad de reacción (cinética) de la oxidación de ambos metales. La oxidación del hierro ferroso (Fe2+) a hierro férrico (Fe3+) es un proceso relativamente rápido en presencia de un oxidante y en un rango de pH cercano a la neutralidad.

En contraste, la oxidación del manganeso manganoso (Mn2+) a dióxido de manganeso (MnO2) es un proceso cinéticamente mucho más lento.¹¹ La simple aireación, que puede ser suficiente para oxidar el hierro, es en gran medida ineficaz para el manganeso a menos que el pH del agua se eleve a valores superiores a 9.5, una condición a menudo impracticable.¹² Esta barrera cinética es la razón principal por la que el tratamiento del manganeso requiere un enfoque más agresivo, que incluye el uso de un oxidante químico potente y, como se detallará, un proceso catalítico para acelerar la reacción.¹³

Tabla 1: Problemas Asociados con Altas Concentraciones de Hierro y Manganeso

Contaminante	Tipo de Problema	Descripción Específica	Referencia Química
Hierro (Fe)	Estético	Manchas de color rojo, naranja o marrón en superficies y ropa.³ Sabor metálico.⁶ Coloración rojiza del agua y bebidas.	Precipitación de hidróxido férrico (Fe(OH)3)
	Operativo	Obstrucción de tuberías, válvulas y electrodomésticos.⁶ Corrosión de tuberías metálicas.⁶	Acumulación de depósitos de Fe(OH)3
	Biológico	Fomento del crecimiento de bacterias del hierro, formando biopelículas (“cieno”) que agravan la obstrucción y pueden albergar patógenos.³	Metabolismo del Fe2+ por microorganismos
Manganeso (Mn)	Estético	Manchas de color marrón oscuro o negro en superficies y ropa.⁴ Sabor metálico amargo.	Precipitación de dióxido de manganeso (MnO2)
	Operativo	Obstrucción de tuberías y sistemas de distribución.	Acumulación de depósitos de MnO2
	Secundario/Salud	Riesgos potenciales para el desarrollo neurológico en bebés y niños a altas concentraciones.⁴ Adsorción y liberación de otros metales (plomo, arsénico) en los depósitos de las tuberías.⁴	Acumulación biológica; Propiedades de adsorción de los óxidos de Mn

2. El Corazón del Proceso: Clarificación Catalítica por Contacto de Sólidos

A diferencia de los sistemas convencionales que requieren tanques separados para cada etapa, los diseños avanzados integran la oxidación, coagulación, floculación y sedimentación en una única unidad de alta eficiencia: el clarificador de contacto de sólidos con recirculación hidráulica. Este enfoque no solo reduce significativamente el espacio requerido, sino que también optimiza el uso de productos químicos y mejora drásticamente la velocidad y eficacia de las reacciones de remoción.

2.1. El Principio de Operación Integrada

El proceso comienza en la tubería de entrada al clarificador. Justo en este punto, se dosifican los productos químicos necesarios: un oxidante potente como el hipoclorito de sodio (cloro) y un coagulante.⁶ El agua cruda, ahora con los químicos añadidos, ingresa al clarificador por la parte inferior, donde un dispositivo eyector hidráulico utiliza la propia energía del flujo de entrada para succionar y recircular una corriente de lodos concentrados desde el fondo cónico del tanque.

Esta acción crea instantáneamente una zona de reacción de alta intensidad. El agua cruda recién dosificada no entra en un tanque de agua limpia, sino que se mezcla íntimamente con una suspensión densa de flóculos de óxidos metálicos previamente formados, alcanzando concentraciones de sólidos de hasta un 15-20%. Este contacto inmediato y masivo tiene dos efectos cruciales:

Floculación Acelerada: Las micropartículas de óxidos de hierro y manganeso que comienzan a formarse a partir de la oxidación se adhieren rápidamente a los flóculos grandes y maduros existentes en el lodo recirculado. Este mecanismo, conocido como floculación por contacto o coagulación de barrido, es mucho más rápido y eficiente que la floculación convencional, donde las partículas deben colisionar por azar en un medio diluido.¹⁵
Catálisis Heterogénea: El manto de lodos no es un subproducto inerte; es el motor catalítico del sistema. Los óxidos metálicos que lo componen, especialmente el dióxido de manganeso (MnO2), actúan como una superficie catalítica que acelera drásticamente la oxidación del manganeso soluble (Mn2+), el cual es cinéticamente lento para reaccionar.¹³

2.2. El Manto de Lodos como Reactor Catalítico

El aspecto más potente de este proceso es el efecto autocatalítico del manto de lodos, que supera la principal barrera para la remoción de manganeso.¹⁷

El Efecto Autocatalítico del Dióxido de Manganeso (MnO2): Las partículas de MnO2 en el lodo actúan como catalizador para la oxidación de más Mn2+ soluble que llega con el agua de entrada.¹⁷ La investigación ha propuesto un mecanismo de dos pasos: primero, una adsorción rápida del
Mn2+ sobre la superficie del MnO2 del lodo, seguida de una oxidación superficial mucho más rápida por el cloro residual en el agua.¹⁷ El producto de esta reacción es una nueva capa de
MnO2, que regenera y expande continuamente la superficie catalítica. Este ciclo de retroalimentación positiva es la clave para una remoción de manganeso rápida y completa, incluso a niveles de pH moderados (8.0-8.5) que serían insuficientes para la oxidación homogénea.¹⁴
El Rol Sinergético del Hidróxido de Hierro (Fe(OH)3): El hidróxido de hierro, que precipita casi instantáneamente, actúa como un excelente coagulante y adsorbente. Su estructura gelatinosa proporciona una enorme área superficial que atrapa partículas finas y coloides, mejorando la claridad general del agua.⁶ Además, se ha demostrado que los óxidos mixtos de hierro y manganeso (Fe-Mn co-oxides) poseen propiedades catalíticas y de adsorción sinérgicas, haciendo que el lodo mixto sea más eficaz que los componentes por separado.¹⁹ En esencia, el hierro, parte del problema, se convierte en un componente crucial de la solución para eliminar el manganeso, el contaminante más recalcitrante.

2.3. Diseño Hidráulico y Operación

El diseño de estos clarificadores está optimizado para la eficiencia y el bajo mantenimiento. El agua, después de pasar por la zona de reacción inicial (con un tiempo de retención de aproximadamente 5 minutos), fluye hacia arriba a través del manto de lodos fluidizado, que actúa como un filtro en profundidad, atrapando las partículas restantes.¹⁵ El tiempo de retención total en el clarificador, de aproximadamente una hora, asegura que las reacciones se completen.

El agua clarificada se recoge en la parte superior mediante canaletas y fluye por gravedad hacia la siguiente etapa. El uso de eyectores hidráulicos en lugar de agitadores mecánicos elimina las piezas móviles, reduciendo drásticamente los costos de energía, el mantenimiento y los puntos de fallo.

La operación del sistema requiere el control del nivel del manto de lodos. A medida que se remueven los metales del agua, el lodo se acumula. Para mantener una concentración ideal y evitar que el lodo sea arrastrado con el agua tratada, se realiza una purga periódica de lodos desde el fondo del clarificador.²¹ Este lodo concentrado debe ser gestionado y dispuesto adecuadamente.

Tabla 2: Parámetros Comparativos de Oxidación para Hierro y Manganeso

Parámetro	Hierro (Fe2+)	Manganeso (Mn2+)
Oxidante Común	Cloro (HOCl), Oxígeno (Aireación)	Cloro (HOCl), Permanganato, Ozono
pH Óptimo (con Cloro)	> 7.0 (rápido en un amplio rango)	8.0 – 8.5 (la velocidad aumenta significativamente con el pH y la catálisis)
Cinética de Reacción	Muy rápida (segundos a minutos)	Lenta (homogénea), pero muy acelerada por catálisis en manto de lodos ¹¹
Requisito Estequiométrico de Cloro	~0.64 mg Cl2 por mg de Fe	~1.3 mg Cl2 por mg de Mn
Producto de Oxidación	Hidróxido Férrico (Fe(OH)3) – Sólido marrón-rojizo ⁵	Dióxido de Manganeso (MnO2) – Sólido marrón-negro

3. El Pulido Final: Filtración por Gravedad en Lecho Dual Autolavable

El agua que sale del clarificador, aunque significativamente más limpia, todavía puede contener partículas finas de flóculos que no se asentaron. La etapa final es una barrera de pulido diseñada para ser robusta, eficiente y, crucialmente, de bajo mantenimiento: un filtro de lecho dual que opera por gravedad y se limpia automáticamente.

3.1. Filtración en Lecho Dual: Arena y Antracita

Este tipo de filtro utiliza dos capas de medios filtrantes para lograr una “filtración en profundidad” altamente eficiente.

Capa Superior – Antracita: La capa superior consiste en antracita, un carbón mineral ligero con granos más grandes. Esta capa retiene las partículas de flóculos más grandes.
Capa Inferior – Arena de Sílice: Debajo se encuentra una capa de arena de sílice, más densa y con granos más finos. Esta capa atrapa las partículas más pequeñas que logran pasar a través de la antracita.

Esta configuración de grueso a fino permite que los sólidos se distribuyan a lo largo de toda la profundidad del lecho, lo que se traduce en carreras de filtración más largas, mayor capacidad de retención de sólidos y una menor caída de presión en comparación con los filtros de arena convencionales.

3.2. Operación por Gravedad y Mecanismo de Autolavado

Una de las ventajas más significativas de este diseño es su autonomía operativa. El sistema no requiere bombas para la filtración ni para el retrolavado, ni tampoco controles eléctricos o la intervención de un operador.

Filtración por Gravedad: El agua clarificada fluye desde las canaletas del clarificador directamente a la parte superior del filtro. La propia columna de agua (presión hidrostática) proporciona la fuerza necesaria para que el agua pase a través del lecho de arena y antracita.
Retrolavado Automático por Sifón: A medida que el filtro retiene partículas, se va obstruyendo gradualmente, y la resistencia al flujo aumenta. Esto provoca que el nivel de agua en la tubería de entrada del filtro comience a subir. El sistema está diseñado con un compartimento de almacenamiento de agua filtrada y una tubería de sifón. Cuando el nivel de agua alcanza una altura predeterminada debido a la obstrucción del filtro, se activa un efecto de sifón. Este sifón invierte rápidamente el flujo, succionando el agua limpia almacenada y forzándola a pasar hacia arriba a través del lecho filtrante. Este flujo ascendente vigoroso fluidiza y limpia la arena y la antracita, desprendiendo los sólidos atrapados y enviándolos al desagüe. El ciclo de retrolavado se detiene automáticamente cuando se agota el volumen de agua almacenada, y el filtro vuelve a su modo de operación normal. Este ingenioso diseño garantiza que el filtro se limpie solo cuando es necesario, optimizando el uso del agua y manteniendo el lecho filtrante en condiciones óptimas sin necesidad de supervisión.²³

Tabla 3: Comparativa de Tecnologías de Filtración Granular

Característica	Filtro de Arena (Lecho Simple)	Filtro Dual por Gravedad (Arena/Antracita)
Mecanismo de Filtración	Principalmente filtración superficial; se obstruye en la capa superior.	Filtración en profundidad; utiliza todo el lecho para retener sólidos.
Capacidad de Retención de Sólidos	Baja a moderada.	Alta; puede manejar mayores cargas de sólidos.
Duración de la Carrera de Filtración	Corta.	Larga; ciclos de operación más prolongados entre retrolavados.
Energía y Control	Requiere bombas y controles para el retrolavado.	Opera por gravedad; el retrolavado es automático y no requiere energía externa ni operadores.
Mantenimiento	Requiere supervisión y programación de ciclos de limpieza.	Mantenimiento mínimo debido a la ausencia de partes móviles y a su funcionamiento autónomo.
Aplicación Recomendada	Agua con baja turbidez; pulido de efluentes de alta calidad.	Efluentes de clarificadores con flóculos ligeros; sistemas que requieren alta autonomía y bajo mantenimiento.

4. Conclusión: Una Solución Integrada, Eficiente y Autónoma

El tratamiento exitoso del agua de pozo con altas cargas de hierro y manganeso no es el resultado de una única tecnología milagrosa, sino de la implementación de un sistema integrado donde cada componente trabaja en sinergia con los demás. El tren de tratamiento descrito —oxidación instantánea, clarificación catalítica con recirculación hidráulica y filtración por gravedad autolavable— representa una solución de ingeniería robusta, elegante y altamente autónoma para este desafío complejo.

La sinergia del sistema es su principal fortaleza y puede resumirse de la siguiente manera:

La Oxidación y Coagulación Instantánea, acoplada a la recirculación de lodos, elimina la necesidad de tanques de contacto y mezcla separados, reduciendo la huella de la planta y los costos de capital.
El Clarificador de Contacto de Sólidos se convierte en el corazón del sistema, un reactor químico de alta eficiencia. Al aprovechar el principio de la autocatálisis del dióxido de manganeso y la floculación por contacto, acelera drásticamente la remoción de los contaminantes más difíciles. El diseño sin partes móviles minimiza el mantenimiento y el consumo energético.
La Filtración por Gravedad en Lecho Dual Autolavable proporciona un pulido final excepcional con una autonomía operativa sin precedentes. Su capacidad para funcionar y limpiarse sin bombas, controles externos ni intervención del operador reduce drásticamente la complejidad y los costos operativos, eliminando el error humano del proceso de mantenimiento del filtro.

Es fundamental subrayar que la implementación de esta solución depende de un diseño de ingeniería basado en un análisis exhaustivo de la química del agua cruda (concentraciones de Fe y Mn, pH, alcalinidad, etc.) y de un sistema de control de procesos robusto para la dosificación de químicos.

Al comprender y aplicar los principios de oxidación química, catálisis heterogénea y filtración avanzada de manera integrada y autónoma, es posible transformar incluso las fuentes de agua subterránea más desafiantes en un recurso hídrico de alta calidad, seguro y apto para el consumo humano, agrícola e industrial, con una fiabilidad y un costo operativo superiores a los de los sistemas convencionales.

Bibliografía

¹ República de Colombia. Ministerio de la Protección Social y Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. (2007).

Resolución 2115 de 2007.

² República de Colombia. Ministerio de la Protección Social. (2007).

Decreto 1575 de 2007.

³ Minnesota Department of Health. (s.f.).

Hierro en el agua de pozo.

⁴ Washington State Department of Health. (2023).

Manganeso en el agua potable.

⁵ Universidad de Cuenca. (s.f.).

Presencia del hierro y manganeso en el agua y métodos de remoción. Repositorio institucional.

⁶ Universidad Tecnológica Nacional (UTN). (s.f.).

Ingeniería Sanitaria, Capítulo 6: Tratamiento de Aguas. Repositorio de la Facultad Regional Rosario.

⁷ Universidad Tecnológica Nacional (UTN). (s.f.).

Eliminación de hierro y manganeso. Repositorio de la Facultad Regional Rosario.

⁸ Universidad de Cuenca. (s.f.).

Química del Hierro y el Manganeso. Repositorio institucional.

⁹ SciELO. (2000).

Metabolismo del hierro.

¹⁰ Universidad Nacional de La Plata. (s.f.).

Balanceo de ecuaciones por el método del ion-electrón. Repositorio SEDICI.

¹¹ ResearchGate. (2014).

Evaluación de la cinética de precipitación del hierro y manganeso disueltos en agua subterránea utilizando aire o hipoclorito de sodio como oxidante.

¹² Mazzei Injector Company, LLC. (2011).

Boletín Técnico n° 2: Eliminación de Hierro y Manganeso por Aireación.

¹³ ResearchGate. (2013).

Influence of ageing on the catalytic activity of MnO2 sludge for oxidation of Mn(II).

¹⁴ SciELO. (2022).

Uso de hipoclorito de sodio para disminuir la concentración de Mn2+ en aguas ácidas de mina.

¹⁵ CORE (COnnecting REpositories). (s.f.).

Diseño y construcción de un prototipo de clarificador de contacto de manto de lodos.

¹⁶ CORE (COnnecting REpositories). (s.f.).

Teoría de la floculación.

¹⁷ ResearchGate. (2013).

Influence of ageing on the catalytic activity of MnO2 sludge for oxidation of Mn(II).

¹⁸ E3S Web of Conferences. (2018).

Properties of catalytic contact layers of filter media for manganese removal from groundwater.

¹⁹ National Center for Biotechnology Information (NCBI). (2018).

Knowledge-guided performance optimization of active iron-manganese co-oxide film for simultaneous ammonium and manganese removal from groundwater.

²⁰ SciELO. (2015).

Catalizadores de manganeso sintetizados por autocombustión y coprecipitación y su empleo en la oxidación del 2-propanol.

²¹ Repositorio Fedepalma. (s.f.).

Fundamentos del Proceso de Clarificación.

²² Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), México. (s.f.).

Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento: Lodos.

²³ Google Patents. (1974).

Automatically backwashed gravity filter.