Modulo Curso Diseno de Plantas Potabilizadoras II-2013

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de Plantas Potabilizadoras

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

358040 – DISEÑO DE PLANTAS POTABILIZADORAS

NOMBRE DEL DIRECTOR DE CURSO (Director Nacional)

NOMBRE DE ACREDITADOR (Acreditador)

BOGOTA 2013

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Contenido

1.1 UNIDAD 1. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ..................................................... 10 1.1.1 LECCIÓN 1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO ................... 10 1.1.2 LECCIÓN 2: CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA .................................. 18 1.1.3 LECCIÓN 3: NORMATIVIDAD ................................................................... 22 1.1.4 LECCIÓN 4: DETERMINACIÓN Y PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN DE DISEÑO ............................................................................................................... 27 1.1.5 LECCIÓN 5. EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN ........................... 33 1.2 CAPÍTULO 2: CALCULO DE DOTACIONES ..................................................... 38 1.2.1 LECCIÓN 6. CONSUMO DE AGUA ........................................................... 38 1.2.2 LECCIÓN 7: CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO ................................................................................................................... 41 1.2.3 LECCIÓN 8. CALCULO DE CAUDALES .................................................... 43 1.2.4 LECCIÓN 9: CAUDAL DE INCENDIOS ...................................................... 45 1.2.5 LECCIÓN 10. EJEMPLO DE APLICACIÓN ................................................ 47 1.3 CAPÍTULO 3: INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN Y PRE TRATAMIENTO ................................................................................................... 50 1.3.1 LECCIÓN 11. PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA: .................................................................................................................. 50 1.3.2 LECCIÓN 12. TRANSFERENCIA DE IONES ............................................. 56 1.3.3 LECCIÓN 13: TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR ................. 58 1.3.4 LECCIÓN 14. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN 60 1.3.5 LECCIÓN 15. PRE TRATAMIENTOS ......................................................... 70 2 UNIDAD 2. PROCESOS UNITARIOS TRANSFERENCIA DE IONES CAPITULO 4 COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA ........................................................................... 83 2.1.1 LECCIÓN 16: PARTÍCULAS COLOIDALES ............................................... 83 2.1.2 LECCIÓN 17: TEORÍA DE LA COAGULACIÓN. ........................................ 88 2.1.3 LECCIÓN 18: COAGULANTES .................................................................. 93 2.1.4 LECCIÓN 19: MEZCLA RÁPIDA ................................................................ 97 2.2 CAPITULO 5 : FLOTACIÓN. ........................................................................... 118 2.2.1 LECCIÓN 21: CONCEPTOS TEÓRICOS ................................................. 118 2.2.2 LECCIÓN 22: SISTEMAS DE FLOTACIÓN .............................................. 120 2.2.3 LECCIÓN 23. SISTEMA FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (Dissolved Air Flotation) ............................................................................................................ 122 2.2.4 LECCIÓN 24. AIREADORES POR ASPERSIÓN, DE EFLUENTES O SURTIDORES .................................................................................................... 125 2.2.5 LECCIÓN 25. EJERCICIOS DE DISEÑO ................................................. 131 2.3 CAPITULO 6. DESINFECCIÓN ....................................................................... 135 2.3.1 LECCIÓN 26 GENERALIDADES.............................................................. 135 2.3.2 LECCIÓN 27. TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN....................................... 138 2.3.3 LECCIÓN 28. TIPOS DE DESINFECCIÓN. ............................................. 141 2.3.4 LECCIÓN 29. EL CLORO ......................................................................... 145 2.3.5 REACCIONES DEL CLORO EN EL AGUA Y SU RELACIÓN CON EL PROCESO DE CLORACIÓN ............................................................................. 146 2.3.6 LECCIÓN 30. DOSIFICACIÓN ................................................................. 148 3 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS .............. 158 2

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3.1 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS. CAPITULO 7 FLOCULACIÓN .................................................................................... 158 3.1.1 LECCIÓN 31. TEORÍA DE LA FLOCULACIÓN ........................................ 158 3.1.2 LECCIÓN 32. CLASIFICACIÓN DE LOS FLOCULADORES. ................... 160 3.1.3 LECCIÓN 33 FLOCULADORES HIDRÁULICOS ...................................... 161 3.1.4 LECCIÓN 34: FLOCULADOR DE FLUJO HORIZONTAL ......................... 166 3.1.5 LECCIÓN 35. EJEMPLO DE DISEÑO FLOCULADOR............................. 170 3.2 CAPITULO 8: SEDIMENTACIÓN .................................................................... 176 3.2.1 LECCIÓN 36: PROCESO DE TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS: SEDIMENTACIÓN FUNDAMENTOS ................................................................. 176 3.2.2 LECCIÓN 37: CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓN.............................................................................................. 183 3.2.3 LECCIÓN 38: SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL ................ 191 3.2.4 LECCIÓN 39: CRITERIOS DE DISEÑO PARA SEDIMENTADORES HORIZONTALES (CONVENCIONALES) ........................................................... 196 3.2.5 LECCIÓN 40: EJEMPLO DE DISEÑO ...................................................... 198 3.3 CAPITULO 9: FILTRACIÓN ............................................................................. 202 3.3.1 LECCIÓN 41. TEORÍA DE LA FILTRACIÓN ............................................ 202 3.3.2 LECCIÓN 42. MECANISMOS DE FILTRACIÓN....................................... 207 3.3.3 LECCIÓN 43. CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS ............................ 212 3.3.4 LECCIÓN 44: PARÁMETROS DE DISEÑO.............................................. 220 3.3.5 LECCIÓN 45: EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS ................................. 225 4 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 230

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en aguas superficiales ........................................................................................................................................ 21 Tabla 2 Características físicas ......................................................................................... 22 Tabla 3 Características Químicas .................................................................................... 23 Tabla 4. Características Microbiológicas .......................................................................... 23 Tabla 5. Puntaje de riesgo para las características físicas, químicas y microbiológicas para el cálculo del IRCA .......................................................................................................... 24 Tabla 6. Clasificación del nivel de riesgo en salud según el IRCA. .................................. 25 Tabla 7. Clasificación de los niveles de calidad de las fuentes de abastecimiento y el grado de tratamiento asociado. ........................................................................................ 26 Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema ....................................................................... 31 Tabla 9. Periodo máximo de diseño para todos los componentes de acueducto ............. 31 Tabla 10. Métodos de cálculo permitidos según el Nivel de Complejidad del Sistema ..... 32 Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro ........................................................... 33 Tabla 12. Proyección de población por métodos aritmético, geométrico y exponencial ... 37 Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad ..................................... 39 Tabla 14. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad ........................................................................................................................................ 40 Tabla 15. Limites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida completa. ......................................................................................................................... 63 Tabla 16. Limites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa .......................... 67 Tabla 17. Limites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta. ......... 69 Tabla 18. Características de las Rejillas .......................................................................... 71 Tabla 19. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas .................................................... 86 Tabla 22 VALORES DE Peso específico y viscosidad dinámica ................................... 101 Tabla 23. Criterios de diseño para mezcladores rápidos ................................................ 102 Tabla 24. Requerimientos de sumergencia .................................................................... 104 Tabla 25. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal .................. 106 Tabla 26. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo) ....... 106 Tabla 27. Valores de K y n ............................................................................................. 107 Tabla 28. Criterios de diseño de aireadores por aspersión ............................................ 126 Tabla 29. Criterios de diseño para aireadores de cascada ............................................ 128 Tabla 30. Criterios de diseño para aireadores de bandejas. .......................................... 130 Tabla 31. Tipos de reacción del Cloro en el Agua .......................................................... 146 Tabla 32. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log 3....................................................................................................................... 152 Tabla 33. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log 4....................................................................................................................... 153 Tabla 34. Clasificación de los floculadores .................................................................... 160 Tabla 35. Criterios de diseño para floculadores hidráulicos de tabiques. ....................... 169 Tabla 36. Tipos de sedimentación ................................................................................. 183 Tabla 37. Clasificación de los procesos de sedimentación según el sentido del flujo. .... 184 Tabla 38. Criterios de diseño para sedimentadores convencionales .............................. 197 Tabla 39 .Clasificación de los filtros ............................................................................... 204 Tabla 40. Características de los medios filtrantes. ......................................................... 215 Tabla 41 Sistemas de drenaje ....................................................................................... 219 Tabla 42. Criterios generales de diseño filtros ............................................................... 222

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ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza .................................................................. 11 Fig. 2. Distribución del agua en la naturaleza .................................................................. 11 Fig. 3. Distribución del agua en el mundo ........................................................................ 13 Fig. 4. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m3/s) ........................................ 14 Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua. ................................................. 16 Fig. 6. Rejillas Planta de Tratamiento Triple A. Barranquilla. Primera etapa .................... 51 Fig. 7. Rejillas mecánicas. Segunda etapa ...................................................................... 52 Fig. 8. Desarenador convencional.................................................................................... 53 Fig. 9. Sedimentador de Alta taza .................................................................................... 53 Fig. 10. Esquema de una trampa de grasas. ................................................................... 54 Fig. 11. Filtro de Arena, vaciado ...................................................................................... 55 Fig. 12. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración. .......................................... 55 Fig. 13. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla .................................. 56 Fig. 14. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico ......................................... 57 Fig. 15. Sistema de Aireación en cascada ....................................................................... 58 Fig. 16 Configuraciones típicas de Sistemas de purificación de agua .............................. 60 Fig. 17. Esquema de filtración directa ascendente ........................................................... 64 Fig. 18. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente ....................................... 66 Fig. 19. Esquema de Filtración lenta tipo FIME. ............................................................... 68 Fig. 20. Zonas de un desarenador ................................................................................... 71 Fig. 21. Rejilla con barras paralelas ................................................................................. 73 Fig. 22. Rejilla lateral inclinada ........................................................................................ 74 Fig. 23. Esquema canal de Entrada y Rejilla. Vista en Planta .......................................... 80 Fig. 24. Corte A – A´ ........................................................................................................ 81 Fig. 25. Corte B – B´ ........................................................................................................ 81 Fig. 26. Tamaño de las partículas suspendidas ............................................................... 84 Fig. 27. Estructura de la doble capa eléctrica .................................................................. 87 Fig. 28. Modelo esquemático del proceso de coagulación ............................................... 90 Fig. 29. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio.............................................. 92 Fig. 30. Diagrama del equipo de jarras ............................................................................ 94 Fig. 31. Mezcladores flujo pistón ...................................................................................... 97 Fig. 32. Retromezcladores ............................................................................................... 98 Fig. 33. Dimensiones de la canaleta Parshall ................................................................ 105 Fig. 34. Esquema de la Canaleta Parshall ..................................................................... 108 Fig. 35. Dimensiones de la Canaleta Parshall. ............................................................... 117 Fig. 36. Angulo entre la superficie de sólido y la burbuja de gas. ................................... 118 Fig. 37. Esquema de filtración por aire disuelto.............................................................. 122 Fig. 38. Aireadores de cascada .................................................................................... 127 Fig. 39. Aireador de bandejas ........................................................................................ 129 Fig. 40. Diseño de bandejas de aireación ...................................................................... 134 Fig. 41. Formas importantes de cloro en la cloración del agua ...................................... 147 Fig. 42. Curva punto de quiebre..................................................................................... 148 Fig. 43. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de coliformes con cloro libre ............................................................................................... 151 Fig. 44. Floculadores hidráulicos de tabiques ................................................................ 161 5

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Fig. 45. Gradientes de energía, y pérdidas en floculadores de flujo horizontal. .............. 162 Fig. 46.Esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal .................................. 166 Fig. 47. Esquema cámara de aquietamiento .................................................................. 174 Fig. 48. Dimensiones de la primera zona del floculador ................................................. 175 Fig. 49. Fuerzas actuantes en una partícula. ................................................................. 178 Fig. 50. Indice de Willcomb para determinar el tamaño del flóculo ................................. 182 Fig. 51. Tipos de sedimentadores según el sentido del flujo .......................................... 184 Fig. 52. Zonificación de un sedimentador convencional ................................................. 186 Fig. 53. Esquema de sedimentación para bajas velocidades ......................................... 187 Fig. 54. Esquema de sedimentación en el caso de altas velocidades ............................ 187 Fig. 55. Diagrama sedimentación ideal .......................................................................... 188 Fig. 56. Sedimentadores horizontales de forma rectangular .......................................... 191 Fig. 57.Dispositivos de entrada para decantadores ....................................................... 192 Fig. 58. Vertedero de recolección de agua sedimentada .............................................. 193 Fig. 59. Forma de la tolva de lodos ............................................................................... 194 Fig. 60. Sistema de remoción de lodos es sedimentadores circulares. .......................... 195 Fig. 61. Vista en corte sedimentador.............................................................................. 200 Fig. 62. Vista en planta sedimentador ............................................................................ 201 Fig. 63. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI. ......................... 203 Fig. 64. Vista parcial da bateria de filtros da ETA Gravatá. ............................................ 204 Fig. 65. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante ............................... 206 Fig. 69. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte .................................... 208 Fig. 70. Mecanismo de impacto inercial ......................................................................... 209 Fig. 71. Mecanismo de acción hidrodinámica ................................................................ 210 Fig. 72. Esquema del puente químico ............................................................................ 211 Fig. 73. Componentes de un filtro .................................................................................. 213 Fig. 74. Lecho filtrante mixto .......................................................................................... 214 Fig. 75. Falso fondo con viguetas prefabricadas ............................................................ 217 Fig. 76. Tuberías perforadas para trabajo con grava ..................................................... 218 Fig. 77. Fondo Leopold .................................................................................................. 218 Fig. 78. Bloque plástico para lavado con aire y agua ..................................................... 219 Fig. 79. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento sustancial aguas arriba de los filtros .............................................................................. 224 Fig. 80 Esquema en corte del filtro................................................................................. 228 Fig. 81. Vista en planta del sistema de filtración. ........................................................... 229

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico Diseño de plantas potabilizadoras fue diseñado por Lorena Salazar Gámez, quien es Ingeniera Civil, DEA en tecnologías en el medio ambiente, y Doctora en Ingeniería Ambiental por la Universidad Politécnica de Cataluña UPC (Barcelona – España). Con experiencia profesional e investigativa en el campo del tratamiento de aguas y residuos sólidos, ha trabajado en empresas de consultoría ambiental en España y en Colombia, y docente de pregrado y post grado, en la actualidad se desempeña como docente tiempo completo de la Universidad de Medellín del programa de Ingeniería Ambiental. Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera: Salazar, L. (2012). Diseño de plantas potabilizadoras. Módulo didáctico. Medellín: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.

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INTRODUCCIÓN GENERAL El agua es una sustancia maravillosa, fluye, se condensa, forma caminos, se filtra, gotea, moviéndose constantemente de mar a tierra y viceversa, puede ser cristalina, blanca, o negra y opaca, incluso puede sentir vibraciones. El agua es un elemento esencial para la vida en la tierra y en el ser humano, el World Water Council, (WWC, 2000), nos da una descripción de la importancia del agua para la vida: “El agua es vida. Todo organismo vivo, está constituido principalmente por agua: los seres humanos son un 60% agua, los peces un 80%, las plantas entre 80 – 90%. El agua es necesaria para todas las reacciones químicas que se generan en las células, y es esencial para la producción de alimentos y los ecosistemas vivos. Sin embargo su uso genera grandes conflictos a nivel mundial, aproximadamente 2 billones de habitantes viven en países con escasez de agua. Algunos expertos estiman que este valor se puede duplicar en 25 años (Cunningham & Cunningham, 2012). Además de la escasez del recurso, las fuentes superficiales susceptibles de ser empleadas para el consumo humano, como ríos, embalses, lagunas, en la actualidad se encuentran contaminadas, generando las enfermedades de origen hídrico, siendo estas enfermedades uno de los principales problemas en los países en desarrollo, cerca de 1,6 millones de personas se ven obligadas a utilizar el agua contaminada. A mediados de la década de los 90 estas deficiencias resultaron en la muerte de alrededor de 2.2 millones de personas en su mayoría niños menores de cinco años por causa de enfermedades gastrointestinales como la diarrea a nivel mundial (UNESCO, 2003). En este sentido conocer y aplicar, las tecnologías disponibles, para purificar el agua es una necesidad, en nuestro continente. El proceso más empleado para purificar agua en sistemas urbanos, en Latinoamérica es el tratamiento “convencional,” que consiste en un pretratamiento, seguido por un proceso de coagulación floculación, sedimentación, filtración y desinfección (Ndabigengesere & Narasiah, 1998). Esta tecnología constituyen la interacción de una serie de operaciones o procesos unitarios, un proceso unitario, es un proceso físico, químico o biológico mediante el cual, las sustancias contaminantes son removidas o transformadas en sustancias inocuas, y su base conceptual puede ser empleadas en otros tipos de tecnologías como en tratamiento de agua o suelo. En esta asignatura se estudiaran las diferentes tecnologías que se aplican para la potabilización de agua. El estudiante estará en la capacidad de conocer las características físicas, químicas y biológicas del agua, seleccionar y diseñar a nivel de pre factibilidad sistemas de potabilización de agua. La asignatura se compone de tres unidades. En la primera unidad se introduce al estudiante en la problemática del agua, de la normatividad existente RAS 2000, decreto 2115 del 2007, entre otras, la metodología para calcular población, las diferentes 8

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alternativas de pretratamiento y la sedimentación convencional. En la segunda unidad, profundizaremos en los procesos unitarios de transferencia de sólidos profundizaremos en la sedimentación de alta taza, filtración, floculación, mezcladores rápidos, y para finalizar en la tercera unidad iniciaremos con el proceso unitario de Transferencia de Iones donde se abordaran los temas de coagulación, desinfección y aireación. Cada unidad contiene ejercicios propuestos y resueltos con el fin de que al final se integren todos los procesos unitarios vistos y se integren en lo que se denomina un sistema de potabilización de agua.

Bienvenid@s!

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UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUA

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UNIDAD 1. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1.1 LECCIÓN 1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO

El agua ha sido uno de los principales vectores medioambientales duramente castigados por la acción del hombre. En la actualidad, nadie duda que sea imprescindible desarrollar e implementar tecnología adecuada al medio, para remediar problemas de desabastecimiento como de calidad en el tratamiento del agua, con el fin de disminuir los riesgos a la salud y al medio ambiente. En este capítulo se dará una breve introducción a la problemática actual del recurso hídrico, en los criterios de calidad, la normatividad existente para sistemas de potabilización, y las bases para iniciar con el diseño de una planta de potabilización como es el cálculo poblacional. 1.1.1.1 Aspectos globales El agua es un elemento esencial para la vida en la tierra y en el ser humano, el World Water Council, nos da una descripción de la importancia del agua para la vida: “El agua es vida. Toda organismo vivo, está constituido principalmente por agua: los seres humanos son un 60% agua, los peces 80%, plantas entre 80 – 90%”. El agua es necesaria para todas las reacciones químicas que se generan en las células, y es esencial para la producción de alimentos y los ecosistemas vivos 1. El agua es un recurso crítico, sin el cual la vida no es posible (WWC, 2000). El agua está distribuida en la tierra de diferentes maneras: en agua salubre, dulce, subterránea y en capas de hielo permanentemente congeladas sobre la superficie de las regiones muy frías o pre glaciares. Del total del agua existente en la tierra solamente el 2.4% de toda el agua en el planeta es agua dulce, de este porcentaje el 87.2% de esta agua dulce se encuentra en glaciares, capas de hielo, y nieve, el 12% es agua subterránea, de difícil captación y tratamiento, y únicamente el 0.8% es agua dulce disponible para los diversos usos, de este 0.8% de agua disponible, el 23.8% está presente en la humedad del suelo, de plantas, el 4.8% en la atmósfera, 1.8% en humedales, y solo el 0.6% en ríos, ver Fig. 1.

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http://serc.carleton.edu/eslabs/drought/1a.html 10

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Fuente: (Cunningham & Cunningham, 2012)

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza

Fig. 2. Distribución del agua en la naturaleza Fuente: (Cunningham & Cunningham, 2012)

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1.1.1.2 Problemática La escasez de agua afecta ya a todos los continentes. Cerca de 1.200 millones de personas, casi una quinta parte de la población mundial, vive en áreas de escasez física de agua, mientras que 500 millones se aproximan a esta situación. Otros 1.600 millones, alrededor de un cuarto de la población mundial, se enfrentan a situaciones de escasez económica de agua, donde los países carecen de la infraestructura necesaria para transportar el agua desde ríos y acuíferos. La escasez de agua constituye uno de los principales desafíos del siglo XXI al que se están enfrentando ya numerosas sociedades de todo el mundo. A lo largo del último siglo, el uso y consumo de agua creció a un ritmo dos veces superior al de la tasa de crecimiento de la población y, aunque no se puede hablar de escasez hídrica a nivel global, va en aumento el número de regiones con niveles crónicos de carencia de agua. La escasez de agua es un fenómeno no solo natural sino también causado por la acción del ser humano. Hay suficiente agua potable en el planeta para abastecer a 6.000 millones de personas, pero ésta está distribuida de forma irregular, la existente se desperdicia, está contaminada y se gestiona de forma insostenible, en la Fig. 3 se puede observar la escases del recurso en países como África, Oriente medio, India y China, países que tienen una gran densidad poblacional (PNUD, 2006).

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Fig. 3. Distribución del agua en el mundo Fuente: Gráficos vitales del Agua, PNUMA El problema no es únicamente la escasez del recurso hídrico, en países en desarrollo uno de los principales problemas son las enfermedades de origen hídrico, cerca de 1,6 millones de personas se ven obligadas a utilizar el agua contaminada. A mediados de la década de los 90 estas deficiencias resultaron en la muerte de alrededor de 2.2 millones de personas en su mayoría niños menores de cinco años por causa de enfermedades gastrointestinales como la diarrea a nivel mundial (UNESCO, 2003).

Teniendo en cuenta esta problemática, se ha dado curso a una serie de iniciativas mundiales, una de las más famosas se dio en la Cumbre del Milenio de Naciones Unidas de septiembre de 2000, donde se congregó el mayor número de líderes mundiales jamás reunido para aprobar la Declaración del Milenio. De aquella Declaración surgieron los Objetivos del Desarrollo para el Milenio” (ODM), un compendio de objetivos alcanzables y sujetos a plazo orientados a extender los beneficios de la globalización a los ciudadanos más pobres del mundo. La meta 10 del Objetivo 7 persigue reducir a la mitad el porcentaje de la población mundial sin acceso seguro al agua potable. Más tarde, durante la Cumbre Mundial sobre Desarrollo Sostenible de Johannesburgo, en 2002, se ampliaría el alcance

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de esta meta incluyendo también el acceso a un saneamiento básico y reconociendo que los recursos hídricos son un factor fundamental para la consecución del resto de los Objetivos de Desarrollo del Milenio. Esta referencia al saneamiento está actualmente integrada en la meta 10.

1.1.1.3 Situación del recurso hidrico en Colombia

Colombia se clasifica como uno delospaíses conmayor oferta hidrica natural del mundo. El estudio nacional del agua 2010 (IDEAM, 2010), estima que en Colombia existe un rendimiento hídrico promedio de 63 L/s-km2 que supera seis veces el rendimiento promedio mundial (10 L/s-km2) y tres veces el rendimiento de latinoamérica (21 63 L/skm2). Del volumen total anual de precipitación en Colombia (3.700 km3), el 61% se convierte en escorrentia superficial, y fluje por las cinco áreas hidrográficas en las que se divide el territorio nacional continental, la Fig. 4 presenta las diferentes áreas hidrográficas del pais, y su distribución de caudales.

Fig. 4. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m3/s) Fuente: (IDEAM, 2010)

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Según la Fig. 4, podemos obserbar que la mayor oferta de agua la brinda la cuenca del Amazonas, seguido con la cuenca del Orinoco, Pacífico y la Andina. Lo cual con coincide con la densidad poblaciónal en donde el área que mayor población alberga es la Andina. El crecimiento actual de la nación ha congregado la demanda hídrica sobre regiones donde su oferta es escasa y en las cuales los procesos de crecimiento poblacional amplifican la presión sobre un recurso que ya registra altos requerimientos para mantener la estructura socio-económica instalada (Dominguez, Rivera, Vanegas Sarmiento, & Moreno, 2008). Esto nos lleva a la situación actual en donde, según el informe publicado por la Defensoría del Pueblo, para el año 2005, el agua que se consume en el país no cumple para ser potable. En ese sentido, más de doce millones de habitantes de las cabeceras municipales es decir el 55,3% de la población analizada están recibiendo un servicio de acueducto que suministra agua no apta para consumo humano (Defensoria del Pueblo, 2005). Es por esto que capacitarse en tecnologías que puedan dar solución a la problemática del agua potable, y que sea aplicada en paises en vias en desarrollo es una necesidad. En la actualidad uno de los tratamientos de agua mas empleado es el tratamiento “convencional,” este se describe en la Fig. 5, consiste en un proceso de pre tratamiento (rejillas y desarenador), la adición de químicos y una mezcla rápida, que se denomina el proceso de coagulación, luego una clarificación que se denomina floculación, seguida de una sedimentación de alta taza, filtración y desinfección, con frecuencia se emplea el cloro como desinfectante ya para finalizar un control de pH lo que se denomina alcalinización (Ndabigengesere & Narasiah, 1998).

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Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua. Fuente: Elaboración propia “Módulos de Clase”, plantas de tratamiento, Ingeniería Ambiental UDEM. 2012.

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En el siguiente enlace se puede encontrar la descripción del proceso de tratamiento de la PTAP de Puerto Mallarino de la Ciudad de Cali. Planta de Potabilización Puerto Mallarino Cali 1.1.1.4 USOS DEL AGUA El agua dulce tiene diferentes usos dependiendo de la destinación final, a continuación se sintetiza, los usos del agua definidos en el Decreto 1594 de 1984, capítulo III, articulo 29 y en el Reglamento de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS TITULO B 2010): a) b) c) d) e) f) g)

Uso residencial Uso Comercial Uso industrial Uso rural - agrícola Para fines públicos Escolar Institucional

Sin embargo no todos los usos tienen los mismos consumos, el sector que presenta un mayor consumo es el agrícola, seguido del industrial y el doméstico. Además no todos los usos tienen las mismas exigencias de calidad, es decir no es lo mismo tratar un agua para un uso agrícola que para un uso residencial. Esto es muy importante a la hora de diseñar un sistema de potabilización de agua ya que nos determinará el caudal de diseño.

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1.1.2 LECCIÓN 2: CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA El agua es el constituyente más importante del organismo humano y del mundo en el que vivimos. Tiene una gran influencia en los procesos bioquímicos que ocurren en la naturaleza. Esta influencia no solo se debe a sus propiedades fisicoquímicas como molécula bipolar sino también a los constituyentes orgánicos e inorgánicos que se encuentran en ella, recientemente se están descubriendo nuevas propiedades del agua como la capacidad de. Se considera que el agua es un solvente universal, debido a que es capaz de disolver o dispersar la mayoría de sustancias con las que tiene contacto, sean estas sólidas, líquidas o gaseosas, y de formar con ellas iones, complejos solubles e insolubles, coloides o simplemente partículas dispersas de diferente tamaño y peso (Barrenechea, 2004). Desde el punto de vista de la salud humana, el agua ayuda a eliminar las sustancias resultantes de los procesos bioquímicos que se desarrollan en el organismo humano, a través de los órganos excretores, en especial la orina y el sudor. Sin embargo, por esta misma propiedad, puede transportar una serie de tóxicos al organismo que pueden afectar a diferentes órganos, de manera reversible o irreversible. 1.1.2.1 Calidad del agua El término calidad del agua es relativo y solo tiene importancia universal si está relacionado con el uso del recurso. Esto quiere decir que una fuente de agua suficientemente limpia que permita la vida de los peces puede no ser apta para la natación y un agua útil para el consumo humano puede resultar inadecuada para la industria. Para decidir si un agua califica para un propósito particular, su calidad debe especificarse en función del uso que se le va a dar. Bajo estas consideraciones, se dice que un agua está contaminada cuando sufre cambios que afectan su uso real o potencial. Para tener criterios de decisión sobre el tipo de uso o de tratamiento que se le dará a un agua, es necesario conocer sus características físicas, químicas, y microbiológicas, así como las técnicas de análisis de cada una. A continuación se sintetizará cada una de las características del agua:

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1.1.2.2 Características físicas Las características físicas del agua, llamadas así porque pueden impresionar a los sentidos (vista, olfato, etcétera), tienen directa incidencia sobre las condiciones estéticas y de aceptabilidad del agua. Se consideran importantes las siguientes:     

Turbiedad Sólidos solubles e insolubles Color Olor y sabor Temperatura

1.1.2.3 Características químicas El agua, como solvente universal, puede contener cualquier elemento de la tabla periódica. Sin embargo, pocos son los elementos significativos para el tratamiento del agua cruda con fines de consumo o los que tienen efectos en la salud del consumidor. Dentro de las características químicas más empleadas podemos resumir las siguientes: Inorgánicas         

Acidez Alcalinidad Dureza pH Conductividad Aceites y Grasas Compuestos orgánicos e inorgánicos Fosfatos Nitritos y nitratos

Orgánicas  Materia orgánica: Demanda Química de Oxígeno, Demanda Bioquímica de Oxígeno, Carbono Orgánico Total  Oxígeno disuelto

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1.1.2.4 Características microbiológicas La contaminación fecal de las fuentes de aguas superficiales para abastecimiento de consumo humano es uno de los problemas más preocupantes en los países en vías de desarrollo. En las grandes ciudades esta contaminación se debe principalmente al vertimiento de los desagües sin ningún tratamiento. También se ha observado que la contaminación fecal es intensa en las zonas de arrastre provenientes de los corrales de engorde de bovinos y de las avícolas (OPS, OMS, 1996). Además del vertimiento o infiltración de aguas residuales sin tratar, también aportan contaminantes los lixiviados de rellenos sanitarios, los efluentes de aguas residuales con tratamiento deficiente, las infiltraciones de tanques sépticos, etcétera. Asimismo, la escorrentía pluvial y las inundaciones ocasionan el deterioro de la calidad del agua de los recursos hídricos. En las zonas rurales la contaminación fecal se origina por la defecación a campo abierto y por la presencia de animales domésticos y silvestres que actúan como reservorios de agentes patógenos. El uso de aguas superficiales como fuentes de agua de bebida implica un riesgo de transmisión de enfermedades hídricas. Los agentes patógenos involucrados con la transmisión por esta vía son las bacterias, virus y protozoos, helmintos y cyanobacterias, que pueden causar enfermedades con diferentes niveles de gravedad, desde una gastroenteritis simple hasta serios y a veces fatales cuadros de diarrea, disentería, hepatitis o fiebre tifoidea. La transmisión hídrica es solo una de las vías, pues estos agentes patógenos también pueden transmitirse a través de alimentos, de persona a persona debido a malos hábitos higiénicos y de los animales al hombre, entre otras vías. Los agentes patógenos y los organismos productores de toxinas que pueden estar presentes en aguas superficiales y cuya transmisión hídrica está demostrada pertenecen a los siguientes grupos:

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Tabla 1. Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en aguas superficiales

Fuente: (Aurazo de Zumaeta, 2004)

Figura 1. Rotavirus

Figura 2.Ameba

Figura 3. Bacterias

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1.1.3 LECCIÓN 3: NORMATIVIDAD En Colombia, la legislación más empleada en términos de agua para potabilización es la Resolución 2115 del 2007, del Ministerio de la Protección Social Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, donde resuelve las características que tiene que tener el agua para consumo humano. Define las características físicas y el valor mínimo aceptable en que pueden estar en el agua, ver Tabla 2, las características químicas y su valor mínimo aceptable, se describen parcialmente, en la Tabla 3, y las características microbiológicas, se observan en la Tabla 4. Además nos presenta el índice de riesgo de la calidad del agua para el consumo humano –IRCA- Tabla 5, que consiste en un instrumento para determinar la calidad del agua en base al no cumplimiento de los valores aceptables, de las características físicas, químicas y microbiológicas, ver. Tabla 6

Tabla 2 Características físicas

Fuente Decreto 2115/2007

CONDUCTIVIDAD. El valor máximo aceptable para la conductividad puede ser hasta 1000 microsiemens/cm. POTENCIAL DE HIDRÓGENO. El valor para el potencial de hidrógeno pH del agua para consumo humano, deberá estar comprendido entre 6,5 y 9,0.

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Tabla 3 Características Químicas

Fuente Decreto 2115/2007

Tabla 4. Características Microbiológicas

Fuente Decreto 2115/2007

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Tabla 5. Puntaje de riesgo para las características físicas, químicas y microbiológicas para el cálculo del IRCA

Fuente Decreto 2115/2007 Una vez se realice la evaluación del riesgo teniendo en cuenta cada una de las características del agua, clasificamos el nivel de riesgo, si el valor del IRCA es cero (0) puntos, significa que cumple con los valores aceptables para cada una de las características físicas, químicas y microbiológicas contempladas en la presente Resolución y cien puntos (100) para el más alto riesgo cuando no cumple ninguno de ellos. 24

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Dependiendo de esta valoración se puede determinar si el nivel de riesgo es inviable sanitariamente, alto, medio, bajo y sin riesgo, además nos da información sobre las acciones que se pueden tomar con este recurso, ver Tabla 6.

Tabla 6. Clasificación del nivel de riesgo en salud según el IRCA.

Otra regulación importante la encontramos en el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS, titulo B, nos presenta la Tabla 7, donde nos permite a partir de las características y grados de cumplimiento, dar una recomendación sobre el tipo de tratamiento que se puede emplear para potabilizar el agua.

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Tabla 7. Clasificación de los niveles de calidad de las fuentes de abastecimiento y el grado de tratamiento asociado.

Fuente Decreto 2115/2007

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1.1.4 LECCIÓN 4: DETERMINACIÓN Y PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN DE DISEÑO

Uno de los primeros parámetros para tener en cuenta en el diseño de una planta de potabilización es la población de diseño, esta permitirá posteriormente calcular las dotaciones y el caudal a emplear en el dimensionamiento del sistema de potabilización. Por lo general las plantas de potabilización se diseñan para un grupo poblacional, es decir un municipio, vereda, etc., no obstante existen soluciones particulares que podrían ser una finca o un conjunto residencial donde el cálculo de la población de diseño es menos complejo. En nuestro caso de estudio seguiremos las recomendaciones para un sistema de acueducto de una población hipotética, denominada “San Pedro”, con el fin de hacer más aplicativo el aprendizaje. El titulo B del RAS nos recomienda que para la estimación de la proyección de la población se debe tener en cuenta los datos establecidos para la población por el DANE, tanto para la definición del nivel de complejidad del sistema como para la proyección de la población. El último dato de población establecido por el DANE para el municipio objeto del diseño debe tenerse en cuenta como un último censo a utilizarse para la proyección de la población. 1.1.4.1 Censos de población Deben recolectarse los datos demográficos de la población, en especial los censos de población del DANE y los censos disponibles de suscriptores de acueducto y otros servicios públicos de la localidad o localidades similares. Con base en los datos anteriores se establecerán los criterios y parámetros que determinen el crecimiento de la población, (Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico, 2010). Población futura En el diseño de un sistema de abastecimiento uno de los datos básicos es la determinación del caudal necesario, para una población o núcleo, el cual depende del número de habitantes y la producción industrial que tendrá la localidad al fin del período de diseño. Cuando estos factores crecen, el consumo de agua aumentará. Los factores más importantes que influyen en el crecimiento de la población son los nacimientos, las muertes y las migraciones de población (aumento o disminución). Algunas localidades tienen población flotante considerable que debe tenerse en cuenta al calcular la población 27

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que va a servirse del acueducto; es el caso de poblaciones veraniegas (entrará en juego el criterio del Ingeniero para estimar la población flotante). En nuestro medio el crecimiento de las ciudades grandes e intermedias oscila entre el 2 y 3% mientras que para pequeñas y la zona rural está entre 1 y 2%. Sin embargo estos datos no pueden generalizarse y son apenas magnitudes de referencia, pues hay muchas localidades con crecimientos inferiores al 1% y aún negativos. 1.1.4.2 Métodos de cálculo Método aritmético Supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración. Se supone que la tasa de variación de la población con el tiempo es constante:

P K t Integrando la ecuación entre los límites ti, año inicial y tf año final se tiene:



Pf

Pi

tf

P  K  t  K (tf  ti ) ti

Pf  Pi  K (tf  ti )

Pf  Pi  K (tf  ti ) Siendo: Pf = población para un año futuro (año de predicción) Pi = población del año inicial o año básico La constante K se puede calcular así:

K

P 2  P1 t 2  t1

En la cual P2 y P1 son las poblaciones de los años t2 y t1 obtenidos de la información existente. La aplicación exacta de la fórmula implica no tener en cuenta la dinámica de crecimiento en los años intermedios con información censal. Por tanto, se sugiere que a los resultados

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obtenidos se les haga un análisis de sensibilidad teniendo en cuenta las siguientes variaciones metodológicas: 

Usar como año inicial para la proyección cada uno de los años existentes entre el primero y el penúltimo censo.



Calcular una tasa de crecimiento poblacional representativa de la dinámica entre los diferentes datos censales disponibles, y con esta realizar las proyecciones a partir de los datos del último censo

Método Exponencial o Logarítmico La utilización de este método requiere conocer por lo menos tres censos para poder determinar el promedio de la tasa de crecimiento de la población. Se recomienda su aplicación a poblaciones que muestren apreciable desarrollo y posean abundantes áreas de expansión. Se supone que el crecimiento de la población es proporcional a la población existente en un momento dado: P KP t



Pf

Pi

K  constante

tf

P P  K  t ti

PF

Ln

Kt

Pi

tf ti

Ln Pf  Ln Pi  K (t f  t i ) Ln Pf  Ln Pi  K (t f  t i )

Pf  Pi  e

k (T f Ti )

Esta última es la ecuación empleada

La constante K puede calcularse así:

Ln P2  Ln P1  K (t2  t1 )

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k

LnP2  LnP1 T2  T1

Donde K es la tasa de crecimiento de la población la cual se calcula como el promedio de las tasas para cada par de censos, P2 y P1 son las poblaciones de los años t 2 y t1 obtenidas de la información existente (censos).

Método Geométrico El Método Geométrico es útil en poblaciones que muestren una importante actividad económica, que genera un apreciable desarrollo y que poseen importantes áreas de expansión las cuales pueden ser dotadas de servicios públicos sin mayores dificultades. La solución de la ecuación diferencial exponencial puede también visualizarse de la siguiente forma: Reemplazando ek del método exponencial por (1 + r) se tiene la fórmula de interés compuesto:

Pf  Pi (1  r )tf ti Si t f  t i  n

Periodo de tiempo que se quiere averiguar de la población.

Pf  Pi (1  r ) ni En donde r es la rata de crecimiento anual y n el número de años en consideración. Cuando no se posea la rata de crecimiento anual de una localidad. La tasa de crecimiento anual se calcula de la siguiente manera: 1

 P  (T2 T1 ) r   2  1  P1 

La escogencia entre el método aritmético y el método geométrico se basa en la inspección del gráfico trazado a partir de la escala aritmética. Una aparente relación lineal implicaría el uso del método aritmético; en cambio una curva aparentemente cóncava hacia arriba implicaría el uso del geométrico, además hay que tener en cuenta los parámetros de la Tabla 10.

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1.1.4.3 Determinación del nivel de complejidad del sistema

A partir de los datos anteriores podemos determinar el nivel de complejidad del sistema, como nos indica la Tabla 8 (tabla A.3.1, del RAS titulo A), dependiendo de la población proyectada calculo el nivel de complejidad. Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema

Fuente: RAS Titulo A (2000)

1.1.4.4 Determinación del periodo de diseño El periodo de diseño se calcula teniendo en cuenta la Resolución 2320 del 27 de noviembre del 2010, donde nos indica que dependiendo del nivel de complejidad se determinará el periodo máximo de diseño.

Tabla 9. Periodo máximo de diseño para todos los componentes de acueducto

Fuente: MAVDT Resolución 2320 (2009) 1.1.4.5 Determinación del tipo de método de proyección poblacional

El método de cálculo para la proyección de la población depende del nivel de complejidad del sistema según se muestra en la Tabla 10. 31

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Tabla 10. Métodos de cálculo permitidos según el Nivel de Complejidad del Sistema

Fuente RAS 2010 Titulo B. Tabla B.2.1 Ajuste por población flotante y población migratoria Debe ajustarse la proyección de la población para tener en cuenta la población flotante, de acuerdo con los estudios socioeconómicos disponibles para la población. En el cálculo de la población por abastecer se deben considerar actividades turísticas, laborales, industriales y/o comerciales que representen población flotante. En el caso que existan posibilidades de migración hacia el municipio, ésta debe tenerse presente en los estudios de proyección de la población. En el caso que no existan datos, el consultor debe proyectar la población utilizando alguna metodología especial establecida de común acuerdo con la entidad contratante (MAVDT, 2010). ETNIAS MINORITARIAS En el caso que en el municipio objeto de la construcción o ampliación de un sistema de acueducto exista una etnia minoritaria, la proyección de la población de ésta debe ser objeto de un estudio individual detallado.

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1.1.5 LECCIÓN 5. EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN Calcular la población de diseño y el nivel de complejidad para el Municipio de San Pedro según los siguientes censos del DANE, ver Tabla 11. Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro AÑO 1993 2005 2010

POBLACIÓN 24.909 31.806 34.402

1.1.5.1 Método aritmético Teniendo en cuenta los datos censales, tenemos que la proyección de población a 25 años a partir del 2012 o sea año 2037, sería así: Calculo de los tiempos 𝑡2 − 𝑡1 = 2005 − 1993 = 12 𝑎ñ𝑜𝑠 𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 = 2037 − 2005 = 32 𝑎ñ𝑜𝑠 Calculo de las poblaciones 𝑝2 − 𝑝1 = 31806 − 24909 = 6897 Determinación de K 𝐾=

6897 5574 12

Cálculo población futura 𝑝𝑓 = 𝑝2 + 𝐾 ∗ 𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 = 31806 + 574 ∗ 32 = 50198 ℎ𝑎𝑏 Con el método aritmético, se obtiene una población de 50.198 habitantes para el año 2037.

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Si realizamos el mismo procedimiento para un periodo de diseño de 30 años tendríamos que la población futura para el 2042, es de 53072 habitantes. 1.1.5.2 Método exponencial o logarítmico Aplicando los datos censales del municipio de San Pedro, encontrar la proyección de la población a 25 años y a 30 años, mediante el método exponencial: AÑO 1993 2005 2010

POBLACIÓN 24.909 31.806 34.402

Pf  Pi e K (tf ti ) - Hallar el valor de K entre 1993 y 2005. K1 

Ln 31.806  Ln 24.909  0.020 2005  1993

- Hallar el valor de K entre 2005 y 2010. K2 

Ln 34.402  Ln 31.806  0.016 5

- Hallar el valor de K entre y 1993 - 2010.

K3 

Ln 34.402  Ln 31.806  0.019 2010  1993

Km 

K1  K 2  K 3 0.020  0.016  0.019   0.018 3 3

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Pf  Pi  e

k (T f Ti )

Población futura a 25 años, a partir del 2012 Pf = 34.402 e(0.0179)(2037 - 2010) = 56.467 hab.

Aplicando el mismo procedimiento calculamos para 30 años, con un total de 61.893 habitantes. 1.1.5.3 Método geométrico Del ejercicio anterior aplicar el método geométrico, para calcular la población a 25 y a 30 años. AÑO 1993 2005 2010

-

POBLACIÓN 24909 31806 34402

Calcular la rata de crecimiento entre 1.993 y 2.005 1

1

 P  (T2 T1 )  31086  20051993 r   2  1    1  0.020   24909   P1  -

r1 = 2.0 %

Hallar la rata de crecimiento entre 2005 y 2010 1

1

 P  (T2 T1 )  34402  20102005 r = 1.58 % r   2  1    1  .0158   31806   P1  - Hallar la rata de crecimiento entre 1993 y 2.010 1

1

 P  (T2 T1 )  34402  20101993 r   2  1    1  0.019   24909   P1 

r = 1.9%

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Efectuando un promedio de r se obtiene: rm 

2.0 + 1.58 + 1.91  1.85% 3

Para el año 2037 la población final a partir del año de diseño en este caso 2012 será: Pf = 34420 (1 + 0.0185)27 = 56469 habitantes. Para una proyección de 30 años año 2042 tenemos que: Pf = 34420 (1 + 0.0185)32 = 61897 habitantes. 1.1.5.4 Calculo del nivel de complejidad Según el ejemplo anterior, el municipio de San Pedro con población proyectada a 25 o a 30 años, no sobrepasa los 60.000 habitantes, analizando la Tabla 8, obtenemos que el nivel de complejidad del municipio de San Pedro es MEDIO ALTO. 1.1.5.5 Calculo del periodo de diseño Como lo determinamos anteriormente, el nivel de complejidad es Medio Alto, con lo cual según la Tabla 9, nos indica que el periodo máximo de diseño para el municipio de San Pedro, será de 25 años. 1.1.5.6 CALCULO FINAL DE POBLACIÓN PROYECTADA Según la Tabla 10, tenemos que para el Municipio de San Pedro, los métodos a emplear serian el aritmético, geométrico y exponencial, los otros métodos se refieren a estudios demográficos detallados, y el detalle de zonas y densidades, etc. La ampliación de estos métodos se observa en el titulo B de la RAS 2010. Para nuestro caso de estudio, se debe proyectar la población a 25 años, con lo cual tenemos que el análisis para los tres métodos, se detalla en la Tabla 12: La Tabla 12, presenta el resumen de las proyecciones poblacionales para el municipio de San Pedro a 25 y 30 años.

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Tabla 12. Proyección de población por métodos aritmético, geométrico y exponencial AÑO/ POBLACIÓN 2037 2042

ARITMÉTICO

GEOMÉTRICO

EXPONENCIAL

PROMEDIO

Habitantes 50198 53072

Habitantes 56467 61893

Habitantes 56496 61897

Habitantes 54378 58954

Teniendo en cuenta que el análisis se realizará para un periodo de 25 años, por lo tanto la proyección empleada es para el 2037, según los datos de la Tabla 12, observamos que los datos del método geométrico y exponencial son relativamente similares, sin embargo varia el método aritmético, por lo tanto es conveniente hacer un promedio de estos tres métodos. Con lo cual la población de diseño es de 54378 habitantes.

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1.2

CAPÍTULO 2: CALCULO DE DOTACIONES

En este capítulo se describe el cálculo de dotaciones, o de la cantidad de agua que requiere una población para satisfacer sus necesidades en un tiempo, por lo general se estima en un intervalo de un año, el cálculo de las pérdidas en el sistema, y las dotaciones, para llegar al final al caudal de diseño que es una herramienta básica para iniciar con el diseño de plantas de potabilización. Se seguirá las recomendaciones de la normatividad en este caso el Reglamento Técnico de Agua y Saneamiento Básico, con su última actualización del título B “Sistemas de Acueducto” (2010), y de la resolución del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2320 del 2009. Para finalizar se termina este capítulo con un ejemplo aplicativo.

1.2.1 LECCIÓN 6. CONSUMO DE AGUA Dotación, es la cantidad de agua necesaria que requerirá una población, durante un año. La base más segura para el cálculo del consumo de agua son los datos de consumo actual y pasado, teniendo en cuenta los factores que pueden influir en el futuro. El consumo es expresado en términos del consumo medio diario por habitante durante un año (dotación). Se obtiene sumando el consumo de todos los días del año y dividiendo el consumo total por 365 días y por la población:

Qt  q1  q2  q3  .........  q365 qm 

Qt 365 * P

Donde: qm = consumo medido expresado en lt/Hab/día

P = Población servida (no la población total)

1.2.1.1 Dotación neta La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida, para satisfacer las necesidades básicas de un suscriptor o de un habitante, dependiendo de la forma de proyección de la demanda de agua, sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. 38

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Existen cuatro métodos para calcular la dotación neta, estos son: a) b) c) d)

Dotación por suscriptores Dotación por habitante Según el uso del agua Comparación con barrios, sectores o municipios similares

1.2.1.2 Dotación por suscriptores En aquellos casos en que se tenga la información necesaria, de la empresa prestadora del servicio de acueducto o en el sistema único de información (SUI) de la Súper Intendencia de Servicios Públicos Domiciliarios, el consultor y/o la persona prestadora del servicio, deben conocer el valor existente sobre consumo promedio por suscriptor. En caso de que no se cuente con datos históricos sobre consumos de agua potable por los suscriptores, el consultor debe utilizar la dotación por suscriptor establecida en la Tabla 13. Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad

Fuente: RAS Titulo B (2010) Para propósitos de la tabla anterior se considera como clima cálido aquella zona del territorio nacional que se encuentre por debajo de 1000 m.s.n.m. 1.2.1.3 Dotación Neta por Habitante En caso de que se opte por la opción para el cálculo de la demanda de agua, mediante la proyección de la población, la dotación neta por habitante es función del nivel de complejidad del sistema y sus valores máximos se deben establecer con la tabla B.2.3 mostrada a continuación.

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Tabla 14. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad

Fuente: RAS Titulo B (2010). Tabla B.2.3. 1.2.1.4 Dotación neta según el uso del agua En la evaluación de las dotaciones netas de agua para un municipio, se pueden tener dotaciones diferentes para cada uno de los usos de agua que existan en el municipio: residencial, comercial, industrial, institucional, fines públicos, escuelas y usos en zonas rurales anexas al municipio. Todos estos deben considerarse en las dotaciones y en las demandas de agua, tanto actuales como proyectadas. Sin embargo, para aquellos sistemas de acueducto donde los consumos del uso residencial representen más del 90% del consumo total de agua potable, el cálculo de agua se puede realizar teniendo en cuenta únicamente la dotación neta residencial sumándole a ésta un porcentaje que tenga en cuenta los otros usos en forma agrupada según los datos de consumo existentes. En caso contrario, el cálculo de la demanda de agua potable debe realizarse en forma desagregada para cada uno de los usos principales y para cada uno de ellos el consultor y/o la persona prestadora del servicio deben determinar las dotaciones netas. 1.2.1.5 Estimación de la dotación neta por comparación con barrios, sectores o municipios similares En caso que no existan datos en el municipio para el diseño de un nuevo sistema de acueducto o la ampliación del sistema de acueducto existente, los cálculos necesarios para estimar la dotación neta deben realizarse teniendo en cuenta los datos de poblaciones similares. El consultor debe tener en cuenta los siguientes aspectos para la elección de las poblaciones similares: temperatura media, hidrología, tamaño de la población, localización geográfica, nivel socioeconómico, tamaño del sector comercial y tamaño del sector industrial, entre otros.

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1.2.2 LECCIÓN 7: CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO Las pérdidas de agua en el sistema de acueducto corresponden a la diferencia entre el volumen de agua tratada y medida a la salida de las plantas potabilizadoras y el volumen de agua entregado a la población y que ha sido medido en las acometidas domiciliarias del municipio. De acuerdo con sus características, las pérdidas se clasifican en dos grandes grupos: técnicas y comerciales. 1.2.2.1 PÉRDIDAS TÉCNICAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO Incluyen las fugas en tuberías y accesorios y en estructuras, como reboses en tanques de almacenamiento, plantas de tratamiento, etc. Por lo general estas se subdividen en visibles y no visibles. Para establecer el porcentaje de pérdidas físicas deben tenerse en cuenta los datos registrados disponibles en el municipio o en la persona prestadora sobre pérdidas de agua en el sistema de acueducto desde las plantas potabilizadoras, incluidos los consumos requeridos para las operaciones en la red de distribución. La resolución 2320/2009, nos indica que el mayor porcentaje de pérdidas técnicas no puede superar el 25% de la dotación neta. Pérdidas comerciales en la red de distribución Las pérdidas comerciales son aquellas relacionadas con el funcionamiento comercial y técnico de la persona prestadora del servicio. Estas pérdidas incluyen las conexiones fraudulentas, los suscriptores que se encuentren por fuera de las bases de datos de facturación de la empresa y los caudales dejados de medir por imprecisión o deficiente operación de los micro medidores domiciliarios. Para propósitos de diseño de un nuevo sistema de acueducto o la parte nueva de uno existente, el porcentaje de pérdidas comerciales admisibles en la red de distribución debe ser como máximo el 7%. En caso de que la demanda de agua se haya calculado con base en la proyección de suscriptores, dicho porcentaje debe incluirse en el cálculo del caudal de diseño. En aquellos casos en que la demanda se haya calculado con base en la proyección de la población o número de habitantes, las pérdidas comerciales no deben tenerse en cuenta para el cálculo de los caudales de los sistemas de acueducto.

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1.2.2.2 DOTACIÓN BRUTA

Es la cantidad máxima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante considerando para su cálculo el porcentaje de pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. La dotación bruta para el diseño de cada uno de los componentes que conforman un sistema de acueducto, indistintamente del nivel de complejidad, se debe calcular conforme a la siguiente ecuación: Dbruta 

Dneta 1 % p

Donde: Dbruta: Dotación bruta Dneta: Dotación neta %p: pérdidas técnicas máximas admisibles El porcentaje de pérdidas técnicas máximas admisibles en la ecuación anterior no deberá superar el 25%.

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1.2.3 LECCIÓN 8. CALCULO DE CAUDALES El caudal, se relaciona a la demanda de agua que requiera la población en un periodo de diseño determinado. Para esto es necesario determinar el Qmd (Caudal medio diario), QMD (Caudal máximo diario), y el caudal máximo horario (QMH), 1.2.3.1 Caudal medio diario El caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada, teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumos diarios en un período de un año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

P * Dbruta 86400

Qmd  Donde:

Qmd: caudal medio diario Dbruta: dotación bruta, dada en metros cúbicos/suscriptor mes. En esta ecuación 30 representa el número de días en el mes.

1.2.3.2 Caudal máximo diario El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1. El caudal máximo diario se calcula mediante la siguiente ecuación:

QMD  Qmd * K1 Donde: QMD: caudal máximo diario Qmd: caudal medio diario k1: coeficiente de consumo máximo diario

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El coeficiente de consumo máximo diario, k1, se obtiene de la relación entre el mayor consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los datos registrados en un período mínimo de un año. En caso de sistemas nuevos, el valor del coeficiente de consumo máximo diario, k1, será 1.30. 1.2.3.3 Caudal máximo horario El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k 2, (véase 3.7.5) según la siguiente ecuación:

QMH  QMD * K 2 En el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, k2, corresponde a un, valor comprendido entre 1.3 y 1.7 de acuerdo con las características locales.

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1.2.4 LECCIÓN 9: CAUDAL DE INCENDIOS Para la definición de los caudales de incendio, el diseño debe tener en cuenta la distribución predial de la zona a ser abastecida, estableciendo las zonas residenciales, las zonas residenciales de alta densidad, las zonas comerciales y/o las zonas industriales. Para cada una de ellas se debe definir el número de hidrantes y su localización además de su caudal unitario. 1.2.4.1 Demanda mínima contra incendios para el nivel de complejidad del sistema bajo y medio Para poblaciones correspondientes a los niveles de complejidad del sistema bajo y medio, el consultor debe justificar si la protección contra incendio se considera necesaria. Sin embargo, se tendrá en cuenta que la presión requerida para la protección contra incendios puede obtenerse mediante el sistema de bombas del equipo del cuerpo de bomberos y no necesariamente de la presión en la red de distribución. Para poblaciones con niveles de complejidad del sistema medio alto y alto La demanda mínima contra incendios debe estimarse teniendo en cuenta las siguientes especificaciones: 1. Para municipios con una población menor a 20.000 habitantes, cualquier incendio, independiente del uso de la zona en que ocurra debe ser atendido por un hidrante con un caudal mínimo de 5 L/s. 2. Para municipios con poblaciones entre 20.000 y 60.000 habitantes, los incendios que ocurran en zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios multifamiliares, comerciales e industriales deben ser servidos por tres hidrantes, bajo uso simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 5 L/s. 3. Los incendios en las zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos por un solo hidrante con un caudal mínimo de 5 L/s. 4. Para municipios con poblaciones entre 60.000 y 100.000 habitantes, los incendios que ocurran en zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios multifamiliares, comerciales e industriales deben ser servidos por tres hidrantes, bajo uso simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 5 L/s. Los incendios en las zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos por dos hidrantes en uso simultáneo, cada uno con un caudal mínimo de 5 L/s. 5. Para municipios con más de 100.000 habitantes, los incendios que ocurran en zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios multifamiliares, comerciales e industriales deben ser servidos por cuatro hidrantes, bajo uso 45

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simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 10 L/s. Los incendios en las zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos con dos hidrantes en uso simultáneo, cada uno con un caudal mínimo de 10 L/s.

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1.2.5 LECCIÓN 10. EJEMPLO DE APLICACIÓN Estimar las dotaciones y los caudales para el municipio de “San Pedro”, mediante el método de dotación neta por habitante, teniendo en cuenta el cálculo poblacional realizado anteriormente, y que la temperatura promedio del municipio es de 22°C, y está ubicado a 1500 m.s.n.m. 1.2.5.1 CALCULO DE LA DOTACIÓN NETA MÁXIMA Mediante la Tabla 14, podemos determinar la dotación neta máxima. Tabla 14. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad

Fuente: RAS Titulo B (2010). Tabla B.2.3.

De acuerdo al nivel de complejidad del sistema MEDIO ALTO y su clima templado - frio ya que esta en alturas superiores a 1000 m.s.n.m, su dotación neta máxima es de 125 L/ hab·día. El municipio de San Pedro, no posee una gran industria, con lo cual el mayor consumo es el del uso residencial, con lo cual determinamos un porcentaje del 10%, para los demás usos como: institucional, comercial e industrial, con lo cual la dotación neta seria de: Dotación Neta = 125 L/hab*d + 125 L/hab*d * 0.1 = 137.5 L/hab*d Pérdidas técnicas El municipio de San Pedro no cuenta con una buena red de Acueducto, la empresa prestadora del servicio, indica que existen muchas fugas en su conducción, pero no se

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posee información suficiente para determinar las pérdidas técnicas, por lo tanto teniendo en cuenta el nivel de complejidad del sistema MEDIO ALTO y de acuerdo al título B.2.7 de la norma RAS 2010, se toma el valor máximo permitido, que es un 25% de pérdidas en el sistema de acueducto. Dotación bruta De acuerdo a formula (B.2.8) de la norma RAS 2010 𝑑𝑛𝑒𝑡𝑎 1 − %𝑝 137.5 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐵𝑟𝑢𝑡𝑎 = = 183.3 𝐿 ℎ𝑎𝑏 𝑑𝑖𝑎 1 − 0.25 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐵𝑟𝑢𝑡𝑎 =

Calculo de la demanda de agua Demanda de agua Proyectada 25 años a partir del 2012 Población año 2037: 49110 habitantes

Caudal medio diario (qmd) Según la ecuación del RAS 2010 ecuación B.2.12, el caudal medio diario es:

𝑄𝑚𝑑 =

𝑝𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 × 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 54378 × 183.3 = = 115.4 𝐿 𝑠 86400 86400

Caudal máximo diario El caudal máximo diario se calcula según la ecuación del RAS 2010 ecuación B.2.10. Donde nos recomiendan que, en caso de sistemas nuevos, el valor del coeficiente de consumo máximo diario, k1, será 1.30.

CAUDAL MÁXIMO DIARIO (QMD) = Qmd * k1 = 115.4 L/s * 1.3= 150 L/s.

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Caudal máximo horario

El caudal máximo diario se calcula según la ecuación del RAS 2010 ecuación B.2.11. Donde nos recomiendan que “en el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, k2, corresponde a un valor comprendido entre 1.3 y 1.7 de acuerdo con las características locales. Tomamos el valor de k2=1.6 CAUDAL MAXIMO HORARIO (QMH) = QMD * k2 = 150 * 1.6 = 240 L/s.

CAUDAL DE DISEÑO Según la RAS 2000 en su titulo C numeral C.1.4.1, nos recomienda que el caudal de diseño de la planta de tratamiento debe ser el CAUDAL MÁXIMO DIARIO, cuando se cuente con almacenamiento, o en su defecto el caudal máximo horario. Para nuestro caso de estudio el CAUDAL DE DISEÑO será el CAUDAL MÁXIMO DIARIO (QMD). QD = QMD = 150 L/s

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CAPÍTULO 3: INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN Y PRE TRATAMIENTO

En este capítulo se introduce al estudiante en el área de los procesos de tratamientos de potabilización desde la mirada de los procesos unitarios, esta es una nueva clasificación de los procesos de tratamiento empleada a nivel mundial que nos permite, analizar el proceso de potabilización desde cada una de las operaciones unitarias que se llevan a cabo, porque estos procesos pueden ser aplicados en diferentes vectores ya sea en suelo o aire, sin embargo enfatizaremos en el vector agua, por ser el que nos concierne en el campo de la potabilización de agua. Además iniciamos con la primera tecnología que se desarrolla en el proceso de potabilización que se denominan los pretratamientos, la mayoría de los casos pertenecen al grupo de los procesos unitarios de transferencia de sólidos. Y finalizamos con un caso de aplicación de un pretratamiento consistente en un proceso de desbaste o cribado (rejilla). 1.3.1 LECCIÓN 11. PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA: Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por los seres humanos. Un proceso unitario son aquellas transformaciones en las que existe la presencia de una reacción química de por medio y que involucran una o varias operaciones unitarias. Una operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el estado de una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno al agua (transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido carbónico contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el proceso de aireación. Los principales Procesos Unitarios empleadas en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: — transferencia de sólidos; 50

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— transferencia de iones; — transferencia de gases, y — transferencia molecular o de nutrientes. 1.3.1.1 Transferencia de sólidos Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y filtración. Cribado o cernido Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación. En la Fig. 6, se observa las rejillas de una planta de tratamiento de la costa Colombiana, estas rejillas son el primer paso en el tratamiento, el agua a tratar proviene de la desembocadura del rio Magdalena, tienen una amplia separación de barras, que permite retener únicamente los sólidos muy gruesos, y su limpieza es manual.

Fig. 6. Rejillas Planta de Tratamiento Triple A. Barranquilla. Primera etapa Fuente. Elaboración propia. 51

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La Fig. 7, presenta el segundo paso en el proceso de potabilización, estas rejillas tienen una menor separación de barra, y además su limpieza es mecánica.

Fig. 7. Rejillas mecánicas. Segunda etapa Fuente: Elaboración propia Sedimentación Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más densas. Este proceso se realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores; en estos últimos, con el auxilio de la coagulación. La Fig. 8, presenta la imagen de un desarenador convencional empleado en acueductos.

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Fig. 8. Desarenador convencional La Fig. 9, nos presenta la imagen de un sedimentador de alta taza de placas inclinadas, empleado en procesos de potabilización de agua.

Fig. 9. Sedimentador de Alta taza Fuente: Elaboración propia. Flotación El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Los agentes de flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire, uno de los procesos para tratamiento de aguas más empleado en nuestro medio, es

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el de la trampa de grasas, la Fig. 10, nos presenta un esquema de los componentes de una trampa de grasas.

Fig. 10. Esquema de una trampa de grasas. Fuente: Elaboración propia Filtración Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso. Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados además de la arena —que es el más común — son la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles. La Fig. 11, nos presenta la imagen de uno de los filtros de la planta de potabilización de Barranquilla, vacío debido a la condición de lavado del filtro, se puede observar muy bien cada una de sus partes, como tubería de entrada (inferior), medio de soporte (arena), canaleta de lavado (centro).

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Fig. 11. Filtro de Arena, vaciado Fuente: Elaboración propia

Fig. 12. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración. Fuente: Elaboración propia. Se recomienda ver el siguiente enlace, donde explica el proceso de tratamiento de la planta de Puerto Mallarino de Cali 55

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1.3.2 LECCIÓN 12. TRANSFERENCIA DE IONES La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y hierro. Las condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color. 1.3.2.1 Precipitación química La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal. La Fig. 13, nos indica el sistema de dosificación de coagulante empleado en la triple A de Barranquilla, compuesto por bombas y tanque de mezcla.

Fig. 13. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla) La Fig. 14, nos presenta el sistema de aplicación del coagulante de la Triple A de Barranquilla. La aplicación se realiza generalmente mediante dispositivos hidráulicos, 56

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como son las canaletas parshall o los resaltos hidráulicos, en la figura Fig. 14, el dispositivo de mezcla es un resalto hidráulico. Adición coagulante

Fig. 14. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla) 1.3.2.2 Intercambio iónico Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera introduciéndola en un recipiente con una solución saturada de sal. 1.3.2.3 Adsorción La adsorción consiste en la remoción de iones y moléculas presentes en la solución, concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo. 57

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1.3.3 LECCIÓN 13: TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aireación, desinfección y recarbonatación. Aireación La aireación se efectúa mediante caídas de agua en escaleras, cascadas, chorros y también aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores. La Fig. 15, presenta un sistema de aireación en cascada mediante bandejas.

Fig. 15. Sistema de Aireación en cascada Desinfección Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada, para la eliminación de microorganismos patógenos. Recarbonatación Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente después del ablandamiento.

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TRANSFERENCIA MOLECULAR Proceso en el cual organismos saprofitos convierten sustancias orgánicas complejas en materia celular viviente y en materia más simple ó más estable incluyendo los gases de descomposición y los organismos fotosintéticos convierten a las sustancias simples principalmente inorgánicas, en material celular, utilizando la luz solar, produciendo como sub-producto el oxigeno y el bióxido de carbono. Estos procesos son empleados usualmente en el tratamiento de aguas residuales y no para potabilización, debido a que requieren una considerable cantidad de nutrientes en el agua a tratar. Son ejemplos: a) La destrucción o biodegradación aeróbica. b) La destrucción o biodegradación anaeróbica. c) La producción de algas y vegetación acuática mayor, en presencia de nutrientes simples, de plantas y luz solar. OTROS PROCESOS UTILIZADOS Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la fluorización. Estabilización de solutos La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma inocua, sin llegar a su remoción. Son ejemplos de este proceso la transformación del anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la transformación de ácido sulfhídrico en sulfato. Desalinización Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis inversa, etcétera. Fluorización Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños menores de 5 años.

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1.3.4 LECCIÓN 14. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN Tal como se observó anteriormente existen sistemas convencionales para el tratamiento de agua, no obstante hay múltiples a alternativas de tratamiento para lograr la potabilización de agua, la Fig. 16, nos presenta una serie de configuraciones que se pueden emplear para el tratamiento de agua, la selección de que tecnología se aplicará dependerá de diversos factores.

Fig. 16 Configuraciones típicas de Sistemas de purificación de agua Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

Algunos criterios de preselección de la tecnología apropiada pueden ser:  Localización: o Contexto del proyecto (periodo de diseño, urgencia) o Características de la comunidad (Accesibilidad, inundación, estabilidad) 60

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

 



o Características del suelo o Calidad del agua Perfil de la comunidad o Demografía o Requerimientos de la comunidad Control de contaminación o Calidad del efluente Implementación o Facilidad o Construcción Sostenibilidad o Facilidad o Necesidad de la comunidad o Operación y mantenimiento

Existen modelos de selección de tecnología muy empleados en nuestro medio, uno recomendable es el elaborado por el CINARA de la Universidad del Valle llamado SELTEC. 1.3.4.1 Tipos de plantas de tratamiento de agua Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas. Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta. También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y plantas de tecnología importada o de patente. Plantas de filtración rápida Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300 m3/m2*d, de acuerdo con las características del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones. 61

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Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante, devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la operación de la unidad. De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración directa. • Planta de filtración rápida completa Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación lenta para promover la rápida aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de floculación). La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas). El proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al agua. De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre de huevos de parásitos (Giardia, Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente, se lleva a cabo la desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas, las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función principal de este proceso es completar la remoción de microorganismos patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución. La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se verá detalladamente en el capítulo sobre desinfección, para remover huevos de parásitos se necesitarían aplicar dosis altísimas y disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de parásitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT puede producir un efluente exento de huevos de parásitos. Las altas tasas con las 62

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que operan estos sistemas, así como el empleo de la coagulación (proceso cuya operación requiere sumo cuidado), demandan recursos humanos capacitados, por lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas económicamente muy deprimidas. En los casos en que las características del agua cruda o el terreno disponible para construir la planta obliguen a adoptar este tipo de sistema, se deberán desarrollar las condiciones locales necesarias para asegurar una buena eficiencia en calidad y cantidad.

En la Tabla 15, se indican los rangos de calidad del agua en los que puede considerarse esta alternativa de tratamiento. Tabla 15. Limites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida completa.

Fuente: (Canepa de Vargas, 2004) Filtración directa Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtración directa descendente. 63

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La Fig. 17, presenta una descripción de los componentes de un sistema de filtración directa, ascendente, esta compuesto por una cámara de carga, en donde se recibe el agua a tratar, tubería de entrada donde se inyectan los coagulantes, un juego de válvulas que permite el lavado del filtro, medio de soporte compuesto por piedra y arena, y canaleta de agua filtrada.

Fig. 17. Esquema de filtración directa ascendente Fuente: Elaboración propia

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Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa ascendente. La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa ascendente–descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100 UC. La Fig. 18, presenta la descripción del sistema compuesto por una cámara de carga, que recibe el agua a tratar, una tubería de entrada que incluye inyección de coagulante, filtro de grava y arena de flujo ascendente, conectado a continuación a un filtro de flujo descendente.

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Fuente: (Canepa de Vargas, 2004) Fig. 18. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente

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La Tabla 16, sintetiza los rangos de calidad de agua óptimos para cada alternativa de tratamiento mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la fuente, para estar bien seguros de su comportamiento estacional, sobre todo durante los ciclos lluviosos. Tabla 16. Limites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa

(Canepa de Vargas, 2004) Plantas de filtración lenta Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen. Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son físicos y biológicos.

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Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, pre sedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta. Uno de los procesos más empleados es el de la tecnología de Filtración en Múltiples Etapas “FIME”, esta tecnología esta conformada por dos o tres componentes o etapas principales de filtración. La opción de tres etapas, filtro dinámico, filtro grueso y filtro lento en arena FLA, se presenta en la Fig. 19.

Fig. 19. Esquema de Filtración lenta tipo FIME. Fuente: Elaboración propia Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos.

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Tabla 17, presenta el número de procesos que debe tener la planta para diferentes rangos de turbiedad, color y contaminación microbiológica del agua cruda. Tabla 17. Limites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta.

Fuente: (Canepa de Vargas, 2004) 69

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1.3.5 LECCIÓN 15. PRE TRATAMIENTOS Corresponden a esta clasificación sistemas de tratamiento de agua, constituidos por las siguientes unidades: Pretratamiento:  Desarenadores;  Presedimentadores o embalses.  Rejilla y canal de aducción 1.3.5.1 Desarenadores Estas unidades tienen por objeto remover la arena, la gravilla y las partículas minerales más o menos finas que acarrea el agua cruda, con el fin de evitar que se depositen en los conductos, Asimismo, buscan proteger las bombas y otros equipos de la abrasión y evitar que este material rellene las unidades de tratamiento restándoles capacidad. Normalmente tienen forma rectangular y están compuestos por varias zonas, zona de entrada II, sedimentación III, de almacenamiento de lodos (IV) y salida (V), una descripción de ellas se observa en la Fig. 20.

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Fig. 20. Zonas de un desarenador Fuente: (López Cualla, 2008) 1.3.5.2 Canal de entrada y rejilla El primer paso en el tratamiento del agua potable y residual consiste en la separación de los sólidos gruesos, este proceso se enmarca dentro del proceso unitario de transferencia de sólidos, y se denomina desbaste o cribado, la descripción de este proceso se revisó en la lección 3.1.1. el procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual bruta a través de rejas de barras. Las rejas de barras suelen tener aberturas libres entre barras de 15 mm o mayores. Las rejas de barras pueden limpiar manual o mecánicamente. Las características de ambos tipos de comparan en la Tabla 18. Tabla 18. Características de las Rejillas

Fuente: (Romero Rojas, 2008)

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Velocidad del flujo en la rejilla La velocidad efectiva del flujo a través de la rejilla debe ser inferior a 0.15 m/s, con el fin de evitar el arrastre de materiales flotantes. Canal de entrada Para el dimensionamiento de las rejillas de limpieza mecánica es necesario diseñar el canal por el cual será conducida el agua hacia el proceso de tratamiento, para posteriormente compararlo con parámetros de velocidad y abertura de barras sugeridos. Aplico la ecuación de Manning Qn  ARh 2 / 3 1/ 2 S

Donde: Q = Caudal de diseño Caudal Máximo Diario (QMD ) S = Pendiente del canal (adimensional) A = Area del canal m2 Rh = Radio hidráulico, m

h

b

Rh 

bh (b  2h)

Se despeja h, de la ecuación de Manning y obtenemos h. Calculamos el área y obtenemos la velocidad del flujo

V

Q A

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Dimensionamiento de la rejilla

La Fig. 21, presenta los componentes de una rejilla. L

B

t

t

t a/2

a

t a

t

t a

t a/2

Fig. 21. Rejilla con barras paralelas

Donde: a = Espaciamiento libre entre barrotes, dado por norma. t = Espesor de los barrotes (diámetro asignado) N = Número de espacios = número de barrotes (para el sistema de la figura) L = Longitud de la rejilla b = Ancho de la rejilla AN = Área neta (área necesaria para desaguar un caudal Q con una velocidad de 0,15 m/seg). AT = Área total e = Porcentaje útil de la rejilla

AN  N * a * b At  N * a * b  N * t * b  b * L

N (a  t )  L

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e

AN N * a *b a   At N * b(a  t ) a  t

AN  eAt 

a At at

Despejando en función de la longitud de rejilla, L

AN 

a *b * L  e *b * L at

Despejo L

L

An e *b

Procedimiento de cálculo: - Se supone : L y se calcula b L - Cálculo del número de barras = N orificios = a  t

N.A. Mín

b

H1

Fig. 22. Rejilla lateral inclinada 74

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Se asume b y se calcula la longitud L. Para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla se aplica la fórmula de Kirschmer dada en el cálculo de pérdidas de rejillas Romero Rojas, 2008.

t H    a

4/3

hv * sen

Donde: H = Pérdida de energía, m = factor de forma de las barras = 2.42 para barras rectangulares de caras rectas = 1.67 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba y abajo = 1.83 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba = 1.79 para barras circulares t = ancho máximo de la sección transversal de las barras, en la dirección del flujo a = Separación entre barras Hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación,m = ángulo de la rejilla con la horizontal 1.3.5.3 Ejemplo de diseño Diseñar el canal de entrada y la rejilla inclinada para el la población de San Pedro. De acuerdo con Tabla 18, los parámetros de diseño de la rejilla son: Datos iniciales: Caudal = Pendiente del canal Coeficiente de rugosidad de Manning

Q = 0.15 m3/s = 0.1% = 0.001 n = 0.014

1. CALCULO DEL CANAL DE ENTRADA

Aplicamos la ecuación de Manning (López Cualla, 2008)

Q

ARh 2 / 3 S 1 / 2 n 75

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Remplazando el área y el radio hidráulico tenemos que:

Rh 

bh (b  2h)

(b * h)  bh   Qn  *   (b  2h) 

2/3

* S 1/ 2

Empleando el criterio de sección rectangular óptima tenemos que b = 2h por lo tanto tengo que:

 bh  Qn   AR 2 / 3  b * h 1/ 2 S  b  2h 

 bh  Qn   b * h 1/ 2 S  b  2h   Qn  h   1/ 2  S 

2/3

 2h 2 (

2/3

2h 2 2 / 3 h )  2h 2 ( ) 2 / 3  h 8 / 3 4h 2

( 3 / 8)

Donde: h = nivel de agua en el canal de entrada

Remplazando

 0.15m3 / s * 0.014    (0.001)1/ 2  

( 3 / 8)

h

h  0.36m

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Por seguridad aumento 9 cm (10-30% de h) con o cual h = 0.45 Por lo tanto b = 2*h = 0.9 m

2. CALCULO DEL ÁREA DEL CANAL Por lo tanto el área es: A = b * h = 0.9m * 0.45m = 0.405 m2 Una vez obtenida la sección del canal se determina la velocidad del flujo

Q 0.15m 3 / s V   0.37m / s A 0.405m 2

Chequeo con la Tabla 18 la velocidad de aproximación para rejillas de limpieza manual tiene que estar entre 0.3 – 0.6 m/s. Por lo tanto Cumple con los requerimientos 3. DIMENSIONAMIENTO REJILLA Se adoptan barrotes de ½” (1.27 cm), con una separación entre ellos de 3 cm. Por otra parte, la velocidad entre barrotes igual a 0.37 m/s, que es la velocidad de aproximación en el canal (López Cualla, 2008). Datos de diseño: Parámetro C a espaciamiento libre t espesor barrotes V L rejilla = Lcanal – 0.2m Angulo °

Valor 0.9 3 1.27 0.370 0.7 45

Unidad cm cm m/s m

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a) Cálculo del área neta

b) Calculo el ancho de rejilla B: Se supone una longitud de rejilla similar al ancho del canal menos 0.2 cm menos, con el fin de dejar 0.1m de lado y lado de la rejilla para instalar unas pestañas de agarre de la rejilla en el canal, por lo tanto la longitud de la rejilla será: 0.9 – 0.2= 0.7 m. Con lo cual remplazo y calculo B mediante la ecuación:

B

An * (a  t ) 0.45m 2 (0.03m  0.0127m)   0.92 a * Lr 0.03 * 0.7m

Donde: An a t B Lr

= Área neta = separación de barrotes = Diámetro de barrotes = ancho de rejilla = longitud rejilla

Se adopta 0.92 m de ancho de rejilla. Recalculando se tiene que:

Similar al anterior OK c) Cálculo del número de orificios N=

An 0.45m 2   16.3 a * B 0.03m * 0.92m

Se adoptan 17 orificios, separados entre si 0.03m, con lo cual se tienen las siguientes condiciones finales:

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d) Recalculo el área neta

e) Chequeo la velocidad V

Q 0.15m3 / s   0.36m / s 0.9 * An 0.9 * 0.44m 2

Similar a la anterior OK.

f) Chequeo Longitud de rejilla

L

An * (a  t ) 0.44 * (0.03  0.0127)   0.72m a*B 0.03 * 0.92

Similar a la anterior OK.

4. CALCULO DE PÉRDIDAS MENORES Para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla se aplica la fórmula de Kirschmer dada en el cálculo de pérdidas de rejillas (Romero Rojas, 2008). Teniendo en cuenta que se trabajará con barras circulares, de ½”, y con un ángulo de 45°, aplicamos la fórmula.

H

KV 2 2g

t K    a

4/3

* sen

Donde: H = Pérdida de energía, m t = 1.27 cm a = 3 cm

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 1.27  K  1.79   3 

4/3

* sen45  0.4

 (0.37m / s 2 ) 2    0.0028m  0.28cm H  0.4 *   2 * 9.81m2 / s 

Chequeo con la Tabla 18, H debe ser menor de 0.15m, por lo tanto el diseño es correcto.

5. Esquemas de diseño

0,9

A B´

B A`

0,64

Fig. 23. Esquema canal de Entrada y Rejilla. Vista en Planta

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0,9

0,39

0,9

0,71

0,1

0,71

0,1

Fig. 24. Corte A – A´

0,8

0,64

45°

0,39

0,9

REJILLA

0,64

Fig. 25. Corte B – B´

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0,71 0,01

0,02

0,9

0,03

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2

UNIDAD 2. PROCESOS UNITARIOS TRANSFERENCIA DE IONES CAPITULO 4 COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA

La coagulación a escala industrial no fue empleada hasta principios del siglo XIX y fue consecuencia de la observación de lo que podía lograrse mediante la adición de electrólitos. Schultze y Hardy estudiaron estas reacciones y plasmaron los resultados en las hoy llamadas reglas de Schultze (1882) –Hardy (1901). En ellas se dice que la coagulación es provocada por iones que tienen una carga opuesta a la de las partículas coloidales y que el poder coagulante de un ión depende en gran medida de su valencia. Así, un ión divalente es entre 30 y 60 veces más eficaz que otro monovalente, y uno trivalente; unas 700 a 1000 veces más que el monovalente (RODRIGUEZ, 2006). Existe también una serie que clasifica los iones según su efectividad en la coagulación de coloides hidrófobos, denominada serie de Hofmeister (1850 -1922): Fe3+>Al3+>Zn2>Ba2+>Ca2+>Mg2>Li+>Na+>K+ Posteriormente se comprobó que el efecto neto de la adicción de electrolitos es disminuir el espesor de la doble capa eléctrica, cuando la cantidad de electrolito es suficiente para reducir la barrera de la capa doble, se produce una coalescencia irreversible y la coagulación es rápida; sin embargo, cuando la cantidad de electrolito reduce solo parcialmente el espesor de la capa doble, la coagulación es lenta[1].

2.1.1 LECCIÓN 16: PARTÍCULAS COLOIDALES El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas últimas destacan las partículas coloidales, las sustancias húmicas y los microorganismos en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga superficial negativa, que impide que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es preciso alterar algunas características del agua, a través de los procesos de coagulación, floculación, sedimentación (o flotación) y filtración. No hay límites definidos de tamaño para las partículas coloidales pero por lo general se considera que tienen una dimensión entre 1 y 1,000 milimicrones aproximadamente. En términos generales, los denominados coloides presentan un tamaño intermedio entre las partículas en solución verdadera y las partículas en suspensión. La Fig. 26 ilustra sobre el tamaño aproximado de las partículas y su distribución. Es necesario hacer notar, sin

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embargo, que en el caso de los coloides, sus dimensiones las define la naturaleza de los mismos.

Atomos

Particulas Suspendidas

Colides

y Molèculas Algas Bacterias Microscopio Electronico

Microscopio

Ultra Microscopio

Poros de papel de filtro

6

Milimicrones (Mµ) Micrones (µ)

1 -3 10

Milimetros (mm)

10

-6

10 -2 10 -5

10

2

10 -2 10 -5

10

3

10 1

-3

10

4

10 10

-2

10

5

10 3 10

-1

1

10 2 10 10

Fig. 26. Tamaño de las partículas suspendidas Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) Existen varios términos para distinguir los tipos de sistemas coloidales. Para el tratamiento de agua, los más importantes son hidrofílico e hidrofóbico. Los coloides hidrofílicos (del griego philos, querido) muestran gran atracción por el agua, mientras que los hidrofobicos (del griego phobe, fobia) muestran menos atracción. El calificativo hidrofóbico (fobia al agua) es impropio ya que si una sustancia repele completamente un medio potencial de dispersión no podría siquiera ser mojada y tampoco habría dispersión. Lo cierto es que las sustancias hidrofóbicas muestran una atracción considerablemente menor por el agua que las hidrofílicas. Los coloides hidrofobicos son importantes en el tratamiento del agua e incluyen sustancias como arcillas y óxidos metálicos. 2.1.1.1 Propiedades de los coloides Los coloides ofrecen una variedad muy interesante de propiedades. A continuación presentamos las más importantes:

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Propiedades cinéticas a. Movimiento Browniano. Una de las propiedades que más distingue a las dispersiones coloidales, es el que no pueden sedimentarse, aun cuando las partículas sean más densas que el líquido que las rodea. Consiste en el movimiento constante e irregular que realizan las partículas coloidales dentro de la fase líquida. Se llama así en honor al botánico escocés Robert Brown (1773-1858) quien fue el primero en describirlo, al notar los movimientos constantes de partículas provenientes del polen bajo el microscopio. La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo desigual y casual de las partículas en suspensión por las moléculas del líquido. Al elevarse la temperatura del líquido las moléculas adquieren mayor energía cinética y aumenta el movimiento browniano. Es importante recordar que el movimiento Browniano solo puede explicar la estabilidad de las dispersiones coloidales más pequeñas. Para tamaños de partículas mayores, los factores más importantes son corrientes de convección termal y velocidades bajas de sedimentación. b. Difusión. Tiene relación estrecha con el movimiento Browniano. El movimiento constante de las moléculas del líquido (en nuestro caso agua) ocasiona que las partículas coloidales se encuentren en movimiento Browniano constante, lo que a su vez acarrea una tendencia de las partículas coloidales a dispersarse por todas partes en el disolvente, en este caso en el agua. Como es de esperarse la velocidad de difusión es menor que la velocidad media de las partículas en el movimiento Browniano. c. Presión osmótica. Si un solvente (agua) y un sistema coloidal (agua + coloides) se encuentran separados por una membrana, la cual es permeable al solvente pero no a los coloides, la dilución puede ocurrir únicamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana. Esto ocurre en forma espontánea y se llama flujo osmótico. Si se aplica una presión hidrostática apropiada de forma que el flujo osmótico se detenga, se alcanza un estado de equilibrio. La presión balanceante es la presión osmótica. Esta propiedad es interesante ya que se pueden utilizar determinaciones experimentales de presión osmótica para calcular el número de partículas y el peso promedio de dicho número en sistemas coloidales.

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Propiedades ópticas Efecto de Tyndall-Faraday. Es un fenómeno físico que hace que las partículas coloidales en una disolución o un gas sean visibles al dispersar la luz. La dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas. El efecto de TyndallFaraday se utiliza en la determinación de la turbiedad por medio de un nefelómetro. Esta determinación, lamentablemente, no se relaciona en ningún caso con el número de partículas de turbiedad, ni siquiera con la masa total. Propiedades de superficie (adsorción) Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica, definida como relación entre el área superficial y la masa. La Tabla 19, muestra el efecto de la disminución del tamaño de las esferas sobre el área total superficial y el tiempo de sedimentación requerido. En la tabla se puede apreciar que es impracticable sedimentar las impurezas coloidales sin tratamiento químico previo. La gran superficie específica da a los coloides una gran capacidad de adsorción. Tabla 19. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas Diámetro de la partícula mm

Escala de tamaños

10

Grava

1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001

Arena gruesa Arena fina Sedimento Bacteria Partícula coloidal Partícula coloidal Partícula coloidal

Área superficial total* 3.15 31.50 315.00 3150.00 3.15 31.50 0.283 2.83

cm2 cm2 cm2 cm2 m2 m2 Ha Ha

Tiempo requerido para sedimentar** 0.3 s 3 38 33 55 230 6.3 63

s s min Horas Días Años Años

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) * Área de partículas del tamaño indicado, producida a partir de una partícula de 100 mm de diámetro y gravedad específica de 2.65. ** Cálculos basados en esferas con gravedad específica de 2.65 que sedimentan 30 cm. Propiedades electrocinéticas. Son muy importantes para comprender la estabilidad de las dispersiones coloidales. Al pasar una corriente directa a través de una solución coloidal las partículas son arrastradas a los electrodos positivos o a los negativos: este fenómeno, descubierto por Reuss en 86

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1807, es conocido con el nombre de electroforesis. Su importancia se debe a que nos indica que las partículas coloidales tienen carga eléctrica y que se mueven de acuerdo al signo que tengan hacia el electrodo de signo opuesto. Casi todos los coloides tienen carga negativa y se trasladan hacia el electrodo positivo.

2.1.1.2 Teoría de la doble capa eléctrica Las partículas coloidales poseen un exceso de carga superficial, adquirida mediante procesos de ionización de grupos funcionales (-C00-H+, -SiO-H+,-NH3+, etc) o de adsorción de otros iones presentes en el medio de dispersión. Este exceso de carga superficial afecta a la distribución de los iones del entorno, de modo que los iones de distinto signo (contra – iones) son atraídos hacia la superficie mientras que los del mismo signo (co – iones) son repelidos. Este fenómeno, unido a la agitación térmica de todo el sistema, da lugar una distribución de carga alrededor de la partícula cuya estructura adopta la forma de doble capa eléctrica.

Fig. 27. Estructura de la doble capa eléctrica

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Se la denomina doble capa puesto que puede considerarse formada por dos regiones con propiedades claramente diferenciadas: una primera región más próxima a la superficie, formada por iones firmemente ligados a esta y la relativamente de poco espesor, denominada capa rígida (Stern, 1924), y una segunda capa más extendida, en donde el efecto térmico permite un más acusado movimiento iónico, denominada capa difusa y que realmente constituye una atmósfera iónica. Potencial z Existe en la atmósfera iónica una superficie, denominada plano de deslizamiento, que es el de la distribución iónica se rompe en caso de que la partícula se ponga en movimiento. El potencial eléctrico en este plano puede determinarse experimentalmente, ya que representa la energía mínima por unidad de carga que es necesario aplicar para separar la partícula de su atmósfera iónica. Este proceso de ruptura, que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial apropiada, se produce a lo largo de la superficie de separación de las capas rígidas y difusas, y se le denomina potencial Zeta o potencial electrocinético.

2.1.2 LECCIÓN 17: TEORÍA DE LA COAGULACIÓN. La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de aluminio y hierro. Este proceso es resultado de dos fenómenos:  El primero, esencialmente químico, consiste en las reacciones del coagulante con el agua y la formación de especies hidrolizadas con carga positiva. Este proceso depende de la concentración del coagulante y el pH final de la mezcla.  El segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de especies hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua. Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100 segundos, de acuerdo con las demás características del agua: pH, temperatura, cantidad de partículas, etcétera. Se lleva a cabo en una unidad de tratamiento denominada mezcla rápida. De allí en adelante, se necesitará una agitación relativamente lenta, la cual se realiza dentro del floculador. En esta unidad las partículas chocarán entre sí, se aglomerarán y formarán otras mayores denominadas flóculos; estas pueden ser removidas con mayor eficiencia por los procesos de sedimentación, flotación o filtración rápida.

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La remoción de las partículas coloidales está relacionada estrictamente con una adecuada coagulación, pues de ella depende la eficiencia de las siguientes etapas: floculación, sedimentación y filtración. La coagulación está fundamentalmente en función de las características del agua y de las partículas presentes, las mismas que definen el valor de los parámetros conocidos como pH, alcalinidad, color verdadero, turbiedad, temperatura, movilidad electroforética, fuerza iónica, sólidos totales disueltos, tamaño y distribución de tamaños de las partículas en estado coloidal y en suspensión, etcétera.

2.1.2.1 Fundamentos teóricos Los términos floculación y coagulación frecuentemente son usados como sinónimos, ambos significando un proceso integral de aglomeración de partículas. Entre diversas definiciones se tienen las siguientes interpretaciones:  Coagulación: Proceso a través del cual los coagulantes son adicionados al agua reduciendo las fuerzas que tienden a mantener separadas las partículas en suspensión. La coagulación comienza en el mismo instante en que se agregan los coagulantes al agua dura solamente fracciones de segundo. Básicamente consiste en una serie de reacciones físicas y químicas, entre los coagulantes, la superficie de las partículas, la alcalinidad del agua y el agua misma.  Floculación: Aglomeración de partículas por efecto del transporte del fluido formando partículas de mayor tamaño que son sedimentadas por efecto de la gravedad. Se llama coagulación-floculación al proceso por el cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas con pesos específicos superior al del agua llamadas floc: Dicho proceso se usa para: -

Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no puede sedimentar rápidamente. Remoción de color verdadero y aparente. Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles a ser separados por coagulación.

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-

Destrucción de algas y plancton en general. Eliminación de sustancias productoras de sabor y olor en algunos casos y de precipitados químicos suspendidos o compuestos orgánicos en otros.

2.1.2.2 Fases de la coagulación. Desde un punto de vista esquemático, se puede considerar que la coagulación se desarrolla en cinco fases consecutivas o simultáneas que explican reacciones físicas y químicas, de la siguiente forma: Primera fase. Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas existentes en la suspensión; Segunda fase. Precipitación y formación de compuestos químicos que se polimerizan; Tercera fase. Adsorción de las cadenas poliméricas en la superficie de los coloides; Cuarta fase. Adsorción mutua entre coloides; y Quinta fase Acción de barrido. La Fig. 28 presenta en forma esquemática las cinco fases descritas. COAGULANTE

Primera Fase

Segunda Fase

Tercera Fase PH

PH

PH

PH

PH

Cuarta Fase

PH PH

PH

PH: Productos de hidrólisis positivamente cargados

Sedimentación

Polimero añadido o formado por el coagulante

Sedimentación

Particula Negativa

PH

PH PH

PH

PH PH PH

Quinta Fase

PH

Fig. 28. Modelo esquemático del proceso de coagulación

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El modelo es bastante simple, por lo tanto se aclara que las fases pueden coexistir y en ocasiones invertirse (re estabilización); las fases uno y tres pueden ser simultáneas cuando se agregan polielectrolitos al agua, esto es coagulantes que están previamente polimerizados, en cuyo caso la desestabilización es debida a la adsorción de las cadenas agregadas con el polietectrolito; cuando se usan coagulantes metálicos la desestabilización y la polimerización pueden ocurrir como fenómenos separados, no necesariamente consecutivos. Todas las reacciones dependen de la alcalinidad, el pH y la temperatura del agua. En el enlace encontrarán un video que visualiza estas fases de la coagulación. http://www.youtube.com/watch?v=Cbat4qa6KAs

2.1.2.3 Diagramas de coagulación - turbiedad Para poder conocer qué tipo de coagulación se produce, suelen utilizarse los diagramas de coagulación. Amirtharajah los describe de la siguiente manera “Los diagramas de coagulación son herramientas útiles para predecir las condiciones químicas que gobiernan el proceso: Dichos diagramas se usan para determinar la dosis de coagulante en función de los pH y se desarrollan a partir de los diagramas de estabilidad termodinámica para la fase sólida de hidróxido de aluminio” La Fig. 29, muestra la interacción entre coloides, el hidróxido de aluminio y el potencial Z resultante debido a esta interacción par distintas dosis de sulfato de aluminio a distintos pH. La forma de estas zonas varía de acuerdo con la calidad de agua. Se puede ver que con dosis superiores a 15 mg/l de sulfato de aluminio y pH comprendidos entre 5.5 y 9.0 se consigue coagulación de Barrido con un óptimo entre 6.7 y 8.3 para dosis entre 30 y 60 mg/l. La coagulación por adsorción-neutralización, en cambio se logra con pH entre 5.0 y 7.0 y dosis de coagulantes entre 15 y 3.0 mg/l. A pH menores de 5.0 puede llegarse también a producir adsorción-neutralización con dosis mayores hasta de 60 mg/l. En la parte superior del diagrama se ha incluido la curva de potencial Z que muestra como a pH menor de 4.8 el potencial de las partículas se hace negativo. Por encima, tal valor se torna positivo y vuelve a pasar por Z=0 a pH= 6.8 para regresar a ser negativo de allí para adelante. Por tanto existen dos regiones óptimas en que se puede hacer la coagulación cerca del punto isoeléctrico a pH =4.8 y a pH=6.8. Entre estas dos regiones los coloides se re estabilizan debido al exceso de cargas positivas adsorbidas. Cabe aclarar que cada agua exhibe sus propias características y que por tanto

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el diagrama de la figura 6.2 debe tomarse como una guía general que de hecho puede variar según el tipo de coloides presentes y las condiciones de la fase líquida. La distinción entre uno y otro tipo de coagulación es significativa cuando como veremos más adelante, se quiere realizar filtración directa (esto es filtración sin floculación ni sedimentación previas) en la que es indispensable utilizar en todo momento coagulación por adsorción-neutralización, evitado la coagulación por barrido, la cual tiende a producir muchos sólidos. También es de importancia en la mezcla rápida en donde la velocidad del proceso depende del tipo de coagulación.

Fig. 29. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio

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2.1.3 LECCIÓN 18: COAGULANTES Los coagulantes son los responsables de que se produzca el proceso de la coagulación. Los coagulantes los podemos clasificar en dos grupos: los polielectrolitos o ayudantes de coagulación y los coagulantes metálicos. Ambos grupos básicamente actúan como polímeros además de la carga eléctrica que poseen. En los primeros, las cadenas poliméricas están ya formadas cuando se los agrega al agua. En segundos, la polimerización se inicia cuando se pone el coagulante en el agua, después de lo cual viene la etapa de adsorción por los coloides presentes en la fase acuosa (Arboleda Valencia, 2000).

Los principales coagulantes utilizados son las sales de aluminio o de hierro (Fe + 3). También se pueden emplear polímeros inorgánicos como los de hierro (III) y aluminio como coagulantes, por ejemplo el policloruro de aluminio se recomienda para el tratamiento de aguas blandas y turbias. De las sales, se pensó inicialmente que formaban un hidróxido insoluble y con ello un ácido que reducía el pH de la solución; luego se admitió que cuando se añaden al agua, intervienen casi instantáneamente en una serie de reacciones de tipo hidróxido multivalentes. En estas sustancias se insertan dos o más iones de aluminio o hierro en un proceso de polimerización. La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en laboratorio, mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta, entre otros factores:     

La naturaleza y calidad del agua bruta. La variación de la calidad del agua bruta (diarias o estacionales, influencia de la temperatura, etc.). Criterios de calidad y destino del agua tratada. Tratamiento previsto después de la coagulación. Grado de pureza del reactivo.

El tratamiento de coagulación óptimo de un agua cruda tiene por objeto lograr un equilibrio muy complejo en el que están implicadas muchas variables. Entre ellas merecen destacarse:     

pH. Sales disueltas (composición química del agua). Naturaleza de la turbiedad. Tipo de coagulante. Temperatura. 93

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2.1.3.1 Cálculo de la cantidad de reactivo por dosificar La cantidad de reactivo por dosificar se obtiene mediante el ensayo de Jarras, este ensayo permite determinar la dosis de coagulantes que produzca la más rápida desestabilización de las partículas coloidales en planta y hacer que se forme un floc más pesado y compacto que quede fácilmente retenido en los sedimentadores y no se rompa al pasar por el proceso de filtrado. El aparato de pruebas de jarras consta básicamente de un agitador múltiple de velocidad variable que puede crear turbulencia simultáneamente en seis vasos de precipitado. En este se trata de reproducir las condiciones en las cuales se produce la floculación en una planta de tratamiento (Fig. 30)

Fig. 30. Diagrama del equipo de jarras Fuente: Universidad de Las Américas de Puebla. Prueba de jarras La medición de turbiedad del agua después de floculada suele considerarse como los parámetros más importante para caracterizar el proceso. La medición de pH antes y después de la floculación tiene una importancia básica, por tanto debe disponerse siempre de un sistema de medida. El reactivo principal es la solución de sulfato de aluminio o cloruro sulfato férrico. Es frecuente que al realizar una prueba de jarras los resultados obtenidos no permitan establecer una dosificación óptima. Esto sucede cuando el agente floculante que se ensaya no es el más adecuado para un determinado tipo de aguas. Las aguas cargadas de limos y arcillan floculan muy bien con sulfato de aluminio o con cloruro férrico, mientras que las aguas que contienen coloides de naturaleza orgánica (aguas residuales de plantas de sacrificio animal, de beneficiaderos de café como por ejemplo) se eliminan mejor utilizando floculadores orgánicos.

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En el siguiente enlace se observa una práctica de jarras ENSAYO DE JARRAS 2.1.3.2 Cálculo del volumen de reactivo.

El volumen de reactivo por dosificar en una planta de tratamiento dependerá de la concentración o pureza del compuesto que se utilice. Cuando se dosifica en seco este valor puede ser hallado así:

W  3.6

DQ P

Donde: W = Kg/ hora D = Dosis que se requiere aplicar en g/m3 = mg/l P = Pureza del reactivo que se usa en porcentaje Q = Caudal de la planta en m3/s Cuando se dosifica en húmedo, el volumen de solución”q” que se aplique por unidad de tiempo, dependerá también de la concentración C de dicha solución, así:

q

DQ PC

En donde q queda expresada en L/s y C en g/L. El volumen del tanque de solución requerido dependerá del espacio disponible en la planta, pero no es conveniente por razones prácticas, disponer de menos de dos tanques, cada uno con un período de detención no menor de 12 horas, para no tener que preparar soluciones más de una vez por día. Las concentraciones usadas son del 5 al 20% para el sulfato de aluminio. Concentraciones mayores requieren dilución posterior con más agua antes de su aplicación.

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Ejemplo: Se quieren construir tanque de solución para dosificar sulfato de aluminio, en una planta de tratamiento de 50 l/s. Si la pureza del sulfato es de solo el 89%. ¿Cuál sería el volumen de dichos tanques, suponiendo que se piense trabajar con una concentración del 20% ( 200.000 mg/l), la máxima dosificación de coagulantes que se quiere aplicar es de 100 mg/l?

q

(100mg / L) * (50 L / s)  0.028L / s 0.89 * 200.000mg / L

Máxima

Volumen del tanque por día: 0.028 L/s* 86.400 s/d = 2419 L/día más 5% por espacio para depósitos: 2419 L/d*1.05 = 2540 L/d = 2.54 m3. Si las pruebas de jarras se realizan con el mismo compuesto que se utiliza en la planta, se elimina el problema de la pureza del coagulante pues se puede dosificar igual cantidad al peso en los ensayos que en los mezcladores

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2.1.4 LECCIÓN 19: MEZCLA RÁPIDA En plantas de tratamiento la mezcla rápida se puede efectuar en dos formas: Con mezcladores flujo de pistón y con retromezcladores En los primeros, la adición del coagulante se hace al pasar la masa de agua por un punto determinado, en el cual se produce una fuerte turbulencia inducida por un aparato hidráulico (orificio, vertedero, constricción, etc.), ver Fig. 31. En los segundos, el agua es retenida en una cámara especial por un tiempo de detención nominal V/Q de 10 a 120 segundos, en donde se aplican los coagulantes, mientras que el agua se agita con una turbina o paleta rotatoria o cualquier otro sistema para crear turbulencia (Fig. 32). La diferencia entre ambos métodos es amplia. En los retromezcladores, el agua que entra y acaba de ser dosificada con el coagulante, se mezcla con el agua previamente retenida en la cámara y que hace algún tiempo recibió la dosis de coagulante. Esto produce una interacción entre los compuestos químicos iniciales, que se forman en la masa de agua que llega y los previamente formados en la masa del agua retenida en el tanque. Para este proceso se necesita emplear un dispositivo que genere movimiento o agitación mecánica, como bombas y rasquetas que requieren energía. En los reactores de flujo pistón, el flujo a medida que va pasando va recibiendo su inyección de coagulante, y la entremezcla entre las masas de agua es mínima. La turbulencia se realiza hidráulicamente, esto es, utilizando la energía cinética que trae el agua.

C

C

Resalto Hidraulico - Vertedor

Resalto Hidraulico - Parshall

Fig. 31. Mezcladores flujo pistón

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Impulsor de paletas planas

Pantalla

Pantalla

Impulsor

Dosificación

C = coagulante

Flujo

Coagulantes

Fig. 32. Retromezcladores Dos ejemplos comunes de mezcladores, utilizados con bastante frecuencia en la práctica, (resalto hidráulico y turbina de eje vertical) caracterizan los diversos dispositivos de mezcla rápida, que pueden ser clasificados entonces en hidráulicos y mecánicos. Históricamente los primeros dispositivos para la mezcla rápida fueron hidráulicos. Con el desarrollo de arte y técnica del tratamiento del agua, se pasó principalmente en los países más industrializados y en nuestro medio, con el uso de elementos e instalaciones importadas a darse preferencia a mezcladores mecánicos. En los retromezcladores la turbulencia necesaria para la mezcla proviene de una fuente externa, generalmente un motor eléctrico por lo que puede ser fácilmente controlado. Por otro lado la potencia disipada en los mezcladores hidráulicos, tiene su origen en el trabajo interno del fluido y de este modo es función de la forma geométrica del

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mezclador y de las características del flujo, tornándose difícilmente controlables las condiciones de mezcla por el operador. En nuestro medio tradicionalmente se le ha dado preferencia a los dispositivos hidráulicos de mezcla rápida, tales como la canaleta Parshall y vertederos. 2.1.4.1 Mezcladores hidráulicos Los mezcladores hidráulicos pueden emplearse cuando se dispone de suficiente cabeza o energía en el flujo de entrada. Los parámetros de diseño básicos en ambos casos son: el tiempo de retención y el gradiente de velocidad, que en su forma general se expresan mediante las siguientes ecuaciones Tiempo de retención:

t

V Q

Donde V = Volumen del tanque, m3 Q = Caudal tratado, m3/s

El gradiente de velocidad se expresa mediante la siguiente ecuación:

G (

P ) V

Donde: P = Potencia disipada en el agua, w (N*m/s) 2

V = Volumen del tanque, m3 Para determinar la potencia aplicada al agua, aplicamos la siguiente ecuación, según Rushton: P  γ * Q * H

Donde: = peso específico del agua, N/m3

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Q = Caudal de diseño H = pérdida de energía en el resalto, m. Por lo tanto definimos la Potencia (P) disipada en cualquier dispositivo de mezcla hidráulica como el producto de la pérdida de carga ( H ) por el caudal (Q) convertida en el peso de líquido por unidad de tiempo.

Así la potencia disipada por unidad de volumen es:

P / V  ( * Q * H ) / V Q 1  V T

Siendo Donde: T es el tiempo de mezcla. Resulta:

P  H  V T

Expresando el gradiente de velocidad en función de la pérdida de carga y el tiempo de retención, tenemos que: G

 

( ) (

H ) T

Donde:  : es el peso específico del agua en Kg/m3 : es el coeficiente de viscosidad en Kg*s/m2 H: es la pérdida de carga en metros T: es el tiempo de mezcla en segundos El factor



 depende de la temperatura del agua, conforme se observa en la Tabla 20.

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Tabla 20 Valores de Peso Específico y Viscosidad Dinámica Peso Temperatura especifico ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

( g ) N/m3 9805 9805 9806 9806 9807 9807 9807 9806 9806 9805 9804 9803 9802 9800 9799 9798 9797 9795 9793 9791 9980 9787 9785 9783 9781 9778 9775 9773 9770 9767 9764 9761 9758 9755 9752 9749 9747

Viscosidad dinámica ( m) Pa,s 0.00180 0.00174 0.00168 0.00163 0.00158 0.00153 0.00148 0.00144 0.00139 0.00135 0.00132 0.00128 0.00125 0.00121 0.00118 0.00115 0.00112 0.00109 0.00107 0.00104 0.00101 0.00099 0.00097 0.00094 0.00092 0.00090 0.00088 0.00086 0.00084 0.00082 0.00080 0.00079 0.00077 0.00075 0.00073 0.00071 0.00070

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37 38 39 40 Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

9742 9739 9735 9731

0.00068 0.00066 0.00064 0.00062

A una temperatura alrededor de 15ºC el valor comúnmente tomado en proyectos, de gradiente de velocidad puede ser calculado por la formula:

G  2920

H T

Parámetros operacionales y dimensionamiento Las unidades de mezcla rápida deben ser dimensionadas en función del tiempo de mezcla y del gradiente de velocidad. Fijado el tiempo de mezcla, y conocido el caudal, el gradiente de velocidad es determinado indirectamente por la potencia hidráulica o mecánica. Criterios de diseño. La Tabla 21, resume los criterios de diseño en cuanto a tiempo de retención y a gradiente de velocidad de la AWWA y del RAS 2000. Tabla 21. Criterios de diseño para mezcladores rápidos Criterio Awwa

RAS 2000

Tiempo de Retención 20 30 40 >40 ≤ 60

Gradiente de velocidad (s-1) 1000 900 790 700 500 – 2000

Fuente: (Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico, 2010) Además de estos criterios la RAS 2000, recomienda tener en cuenta los siguientes parámetros de diseño: - La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s. - La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s. - Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el ancho de la canaleta.

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- Debe disponerse de un dispositivo aguas abajo con el fin de controlar la posición del resalto hidráulico. - Punto de aplicación del coagulante. - La aplicación de la solución de coagulante debe realizarse en el punto de mayor turbulencia.

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2.1.4.2 Lección 20. Canaleta Parshall

La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma, servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 33, se muestra esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente. El aforo se hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leída por medio de piezómetros laterales[5]. La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce flujo supercrítico a través de la garganta. La canaleta debe construirse de acuerdo con las dimensiones de la Tabla 24[6], para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo. La canaleta Parshall es auto limpiante, tiene una pérdida de energía baja y opera con mucha exactitud en caudales bastante variables, requiriendo sólo una lectura de lámina de agua (Ha), en flujo libre. . A fin de que pueda utilizarse la canaleta con el propósito de mezclador rápido, debe cumplir los siguientes requisitos: - Que no trabaje ahogada, o sea que la relación Hb/Ha no exceda los siguientes valores: Tabla 22. Requerimientos de sumergencia Ancho de garganta Máxima sumergencia (Hb/Ha) 7.5 (3”) a 22.9 (9”) 0.6 30.5 (1’) a 244 (8’) 0.7 305 (10’) a 1525 (50’) 0.8 Fuente: (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000)

- Que la relación Ha/W este entre 0,4 y 0,8. La razón para esta condición es la de que la turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa, bajo el resalto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación, como se ha podido constatar en experimentos de laboratorio. Al bajar Ha el espesor de esta capa se minimiza. El concepto de gradiente de velocidad de Camp no tiene aplicación en este caso. - Que él numero de Froude esté comprendido entre estos dos rangos 1.7 a 2.5 o 4.5 a 9.0. Debe evitarse números entre 2.5 y 4.5 que producen un resalto inestable el cual no

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permanece en su posición, sino que siempre esta cambiando de sitio, lo que dificulta la aplicación de coagulantes.

Fig. 33. Dimensiones de la canaleta Parshall El análisis hidráulico teórico de la canaleta Parshall para saber si cumple con estas condiciones, esta solo parcialmente resuelto. Las ecuaciones que definen el resalto hidráulico en canales rectangulares, no se puede aplicar a este caso sin un cierto margen de error debido a que el efecto de la constricción de la garganta se suma al de los cambios de pendiente.

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2.1.4.3 Diseño canaleta parshall Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente procedimiento. Acevedo Netto, partir de estudios empíricos determinaron diferentes limites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta, La Tabla 23, nos permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y mínimos, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W Tabla 23. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal Ancho W 1’’ 2’’ 3’’ 6’’ 9’’ 12’’ 18’’ 24’’ 36’’ 48’’ 60’’ 72’’ Fuente: (Romero Rojas, 2008)

Límites de caudal (l/s) Q Mínimo Q Máximo 0.28 5.67 0.57 14.15 0.85 28.31 1.42 110.44 2.58 252.00 3.11 455.90 4.24 696.50 11.90 937.30 17.27 1427.20 36.81 1922.70 45.31 2424.00 73.62 2931.00

La Tabla 24, nos presenta las dimensiones típicas de medidores Parshall, a partir del ancho de garganta (W), calculado en la Tabla 23. Tabla 24. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo) W (Cm) 1” 2.5 3” 7.6 6” 15.2 9” 22.9 1’ 30.5 11/2’ 45.7 2’ 61.0 3’ 91.5 4’ 122.0

A 36.6 46.6 62.1 88.0 137.2 144.9 152.5 167.7 183.0

B C D 35.6 9.3 16.8 45.7 17.8 25.9 61.0 39.4 40.3 86.4 38.0 57.5 134.4 61.0 84.5 142.0 76.2 102.6 149.6 91.5 120.7 164.5 122.0 157.2 179.5 152.2 193.8

E 22.9 38.1 45.7 61.0 91.5 91.5 91.5 91.5 91.5

F 7.6 15.2 30.5 61.0 61.0 61.0 61.0 61.0 61.0

G 20.3 30.5 61.0 45.7 91.5 91.5 91.5 91.5 91.5

K 1.9 2.5 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6

N 2.9 5.7 11.4 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9

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5’ 152.5 198.3 194.1 183.0 6’ 183.0 213.5 209.0 213.5 7’ 213.5 228.8 224.0 244.0 8’ 244.0 244.0 239.2 274.5 10’ 305.0 274.5 427.0 366.0 Fuente: (Azevedo & Alvarez, 1976)

230.3 91.5 266.7 91.5 303.0 91.5 340.0 91.5 475.9 122.0

61.0 91.5 7.6 61.0 91.5 7.6 61.0 91.5 7.6 61.0 91.5 7.6 91.5 183.0 15.3

22.9 22.9 22.9 22.9 34.3

Condiciones Hidráulicas de entrada EL flujo Q se calcula con la fórmula:

Q  K ha n en donde K y n se determinan con la Tabla 25. Tabla 25. Valores de K y n

W 3” 6” 9” 1’ 1 ½’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8

Unidades Métricas K 0.176 0.381 0.535 0.690 1.054 1.426 2.182 2.935 3.728 4.515 5.306 6.101

n 1.547 1.580 1.530 1.522 1.538 1.550 1.566 1.578 1.587 1.595 1.601 1.606

Para recordar: 1 pulgada (1”) = 2.54 cm 1 pie (1´) = 30.5 cm 2.1.4.4 Ejemplo de diseño: canaleta Parshall. Diseñar una canaleta Parshall que sirva como aforador y para realizar la mezcla rápida, para el municipio de San Pedro, el caudal previamente calculado es de 0.15m 3/s, la temperatura mínima de 16 °C.

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Criterios de diseño Como aforador debe trabajar con descarga libre, es decir, que cumpla los requerimientos de la Tabla 22. Como mezclador rápido debe cumplir con la anterior condición y adicionalmente el gradiente de velocidad debe estar comprendido entre 1000 y 2000 s-1. La Fig. 34, presenta un esquema de dicha estructura.

Wa

Fig. 34. Esquema de la Canaleta Parshall La metodología seguida se basa en el cálculo de la energía en las secciones mostradas en la Fig. 34 y en la suposición de que las pérdidas por fricción dentro de la canaleta son despreciables.

PASO 1: Determinación del ancho de garganta

Para un Q = 0.15m3/s (150 L/s) se tiene un ancho de garganta W = 9’’ = 0.229 m < 0.3 m, OK CUMPLE. (Ver Tabla 23). 108

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Paso 2. Dimensiones De acuerdo a la Tabla 24 y Tabla 25, tenemos los siguientes valores:

Exponente: n Coeficiente: k Long. paredes sección convergente Longitud sección convergente Ancho de la salida Ancho entrada sección convergente Profundidad total Longitud de la garganta Longitud de la sección divergente Long. Paredes sección divergente Dif. de elevac entre salida y cresta

1.53 0.54 A B C D E F G' K' N

0.880 0.864 0.380 0.575 0.610 0.610 0.457 0.076 0.229

m m m m m m m m m

Paso 3. Determinación de la lámina de agua Q ha    K

1

n

1

 0.15  1.53 ha     0.44m  0.54  Paso 4. Cálculo de la canaleta en la sección de medida Wa 

2 D  W   W 3

D = 0.575 m para W = 9’’ (Tabla 6.3) Wa 

2 0.575m  0.229m  0.229m 3

Wa = 0.46 m

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Paso 5. Cálculo de la velocidad en la sección de medida 

Cálculo de va:

va 

Q Wa .ha

va 

0.15m 3 / s 0.46m * 0.44m

va = 0.74 m/s

Paso 6. Cálculo de la energía total disponible Calculo de la energía en la sección 1 - 1 Aplicando Bernoulli: 2

E1 

va  ha  N 2g

Para W = 9’’ Tenemos un N = 0.229 m (Tabla 24)

E1 

(0.74) 2 m 2 / s 2  0.44m  0.229m 2 * 9.81m / s 2

E1 = 0.69 m

Paso 7. Cálculo de la velocidad antes del resalto

Sección 2-2. (Inmediatamente antes del resalto). Aplicando Bernoulli: 2

v E2  2  h2 2g v2 

Q W .h2

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0.10m 3 / s v2  0.23m * h2 Igualamos, E2 = E1 (Despreciando pérdidas por fricción entre 1 y 2) Remplazando: 2

 0.15m 3 / s  1  * 0.69m    h2 2  0.23m * h2  2 * 9.81m / s h23 – 0.61h22 + 0.0217 = 0 Considere que el valor de h2 se obtiene de resolver una ecuación cúbica que deriva en 3 raíces; la raíz que se debe tomar como valor de h2 es la raíz media. Resolviendo para h2: h2 = 0.21 m v2 

Q W .h2

0.15m 3 / s v2  0.23m * 0.21m v2 = 3.1 m/s

Paso 8. Determinación de la lámina de agua en el resalto Cálculo de hb. hb = h2 – N hb = 0.21m – 0.229m hb = -0.02m

Paso 9. Chequeo grado de sumergencia S. Para verificar condiciones de aforador. S

hb ha

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S

- 0.02 = -0.043 0.44

S = -0.043 < 0.60 OK CUMPLE El criterio principal para el diseño de la canaleta Parshall radica en que se cumpla con los parámetros de sumergencia (hb/ha ), en este caso la canaleta trabaja con descarga libre, por lo tanto sirve como aforador.

Paso 10. Cálculo número de Froude.

Sección 3-3 Aplicando la ecuación del resalto hidráulico: h3 1 2  ( 1  8F2  1) h2 2 2

v F2  2 h2 .g 2

2

F2 

v2 h2 .g

3.12 m 2 / s 2 F2   2.16 0.21m * 9.81m / s 2 F2 = 2.16 (Resalto estable) OK CUMPLE El resalto es estable ya que el Froude oscila entre 1,7 – 2.5 o 4.5 – 9.0. En caso de que no se encuentre en este intervalo, se recomienda se puede colocar abajo una persiana que manualmente se pueda graduar por un operario, hasta lograr la estabilidad requerida, aunque esta práctica no se recomienda porque se puede presentar rompimiento del microflóculo formado previamente en el resalto de la canaleta.

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Paso 11. Cálculo de la lámina de agua al final del trecho divergente.

h3 

h2 2 ( 1  8F2  1) 2

h3 

0.21 ( 1  8 * (2.16) 2  1) 2

h3 = 0.54 m

Paso 12. Cálculo de la lámina de agua al final de la canaleta Sección 4-4 h4 = h3 – (N-K)

[6.20]

Por formarse el resalto muy cerca de la salida de la garganta, se puede considerar que en la sección 3 la cabeza de posición es cero. h4 = 0.54m – (0.229m – 0.076m) h4 = 0.39m

Paso 13. Cálculo del tiempo medio de mezcla El tiempo medio de mezcla se obtiene con la siguiente ecuación: td 

G' vm

Tabla 24 El valor de G” corresponde al valor de la Cálculo de la velocidad media

vm 

v3  v4 2

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Q 0.15m 3 / s  W .h3 0.228m * 0.54m

v3 

v3 = 1.22 m/s

Q 0.15m 3 / s  C.h4 0.38m * 0.39m

v4 

v4 = 1.01 m/s vm 

1.22m / s  1.01m / s 2

vm = 1.12 m/s

td 

G' vm

Según la Tabla 24, G = 45.7 cm td 

0.46m  0.41s 1.12m / s

Paso 14. Cálculo del gradiente de velocidad, G. El gradiente se calcula mediante la fórmula

G

 .h .td

Cálculo de la pérdida de carga h Aplicando el principio de energía de Bernoulli E1 = E4 + h

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Remplazando 2

2

va v  ha  N  4  h4  ( N  K )  h 2g 2g 2

2

v v h  a  ha  N  4  h4  ( N  K ) 2g 2g h 

0.74 2 1.012 m / s 2  0.44m  0.23   0.39m  (0.23  0.076)m 2 * 9.81 2 * 9.81

h = 0.102 m

G

 .h .td

G

9797 N / m 3 * 0.102m  1475 s 1 2 0.00112 N / m * 0.41s

Según la recomendación del rango de gradientes de la RAS Tabla 21, debe estar en el intervalo: 500 ≤ G ≤ 2000 s-1, por lo tanto G = 1475 s-1 cumple OK.

Paso 15. Cálculo de la distancia de la elevación de la cresta por encima del fondo del canal X X = h5 - h4 h5 = 0.50 m (se fija con la estructura aguas abajo) X = 0.50m – 0.39 m X = 0.11 m Se recomienda para X un factor de seguridad del 10%; por lo tanto: X = 0.11 m * 1.10 X = 0.12 m Paso 13. Longitud de desarrollo del resalto, L. L = 6 (h3 – h2)

[6.22]

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L = 6 (0.54 m – 0.21 m) L = 1.8 m

Paso 16. Esquema de dimensionamiento La Fig. 35, muestra el esquema con el dimensionamiento definitivo de la canaleta Parshall, incluyendo el perfil hidráulico.

D = 57.5

W = 22.9 A=

cm

88 cm

6 1

C = 38

cm

1 5

45º

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Coagulante B= 0.864

F = 0.61

G = 0.46

ha= 0.44 h3= 0.54 h4 = 0.39 Nmax h2 = 0.21

N= 1 4

1 2.67

Condición 2 Dimensiones en metros

0.229

1 6

Inicio

Floculación

Fig. 35. Dimensiones de la Canaleta Parshall.

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2.2

CAPITULO 5: FLOTACIÓN.

2.2.1 LECCIÓN 21: CONCEPTOS TEÓRICOS La flotación es un proceso de clarificación primaria particularmente efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y con gran contenido de algas. Consiste en la separación de las partículas naturales presentes en el agua cruda, coaguladas o floculadas, mediante el uso de sales de aluminio o de hierro y de polímeros.

En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del liquido que la contiene. En la flotación provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas partículas sólidas o líquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente, aire) y formar conjuntos partícula– gas menos densos que el líquido que constituye la fase dispersa. La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arquímedes, fuerza de resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos partícula–gas que se concentran en la superficie libre del líquido. Para que sea de factible la flotación partículas sólidas o líquidas más densas que el líquido, es preciso que la adherencia de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto entre las partículas y el líquido. Este contacto entre un sólido y un líquido se determina mediante la medida del ángulo formado por la superficie del sólido y la burbuja de gas Fig. 36.

Fig. 36. Angulo entre la superficie de sólido y la burbuja de gas. 118

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Si θ = 0, el contacto entre el sólido y el líquido se realiza de forma perfecta; es imposible la adherencia sólido-gas. Si θ = 180°, el contacto entre el sólido y el líquido es nulo; es óptimo el contacto sólidogas. Se trata de un caso límite que nunca se da en la práctica, puesto que ningún líquido da un ángulo θ mayor de 110° (caso del mercurio). Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partículas pueden resultar de las siguientes acciones: a) Colisión entre la bola y la partícula, debido a turbulencia o a atracción entre ambas. b) Aprisionamiento de las bolas contra los flóculos o contacto entre los flóculos que están sedimentando y las bolas de aire en ascensión. c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flóculos. Cuando se tienen partículas hidrofílicas, los mecanismos b y c parecen ser los responsables de la eficiencia de la flotación, en tanto que el mecanismo a parece predominar en la obtención de una unión más estable entre las bolas de aire y las partículas, las cuales requieren un cierto grado de hidrofobia.

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2.2.2 LECCIÓN 22: SISTEMAS DE FLOTACIÓN Cualquier sistema de flotación debe presentar las siguientes características: a) Generación de bolas de tamaño apropiado en relación con las partículas que se desea remover. b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partículas en suspensión. c) Separación adecuada del material flotante. La flotación puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a través del proceso electrolítico y por aire disuelto, cuyas características principales son presentadas a continuación. Flotación por aire disperso En estos sistemas usualmente se emplean rotores que promueven, simultáneamente, dispersión, aireación y agitación de la suspensión, con producción de bolas de aire que tienen cerca de 50 mm de diámetro. Es posible, también, el uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque las bolas resultan con un diámetro mayor (~50 μm). La flotación por aire disperso comúnmente es utilizada en la industria minera. Flotación electrolítica La oxidación anódica del ion cloreto de una suspensión con pH alrededor de 7,5 con producción de ion hipoclorito y oxígeno ha sido investigada como unidad de generación de las bolas en la flotación de suspensiones en las que fueron usados cloruro férrico como coagulante primario y polímero orgánico como auxiliar de floculación. Este sistema requiere investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad del agua por tratar. 2.2.2.1 Flotación por aire disuelto La flotación por aire disuelto ha sido uno de los procesos más estudiados en el tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, también ha sido muy investigado en el tratamiento de aguas de abastecimiento. Hay tres tipos básicos de sistemas de flotación: a. con presurización parcial del afluente (figura 34a);

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b. con presurización total del afluente (figura 34b); c. con presurización de la recirculación (figura 34c).

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2.2.3 LECCIÓN 23. SISTEMA FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (Dissolved Air Flotation) El mecanismo del proceso de la DAF, (Flotación Aire Disuelto) genera burbujas muy pequeñas, con un promedio de diámetro de 20 micrones; esto, en la parte media de la suspensión. Estas burbujas se adhieren tanto a sólidos finos, materia en suspensión, bacterias, precipitados de grasas, aceites, jabones, metales pesados, colorantes, proteínas, elementos orgánicos, etc., levantándolas y haciéndolas flotar en la superficie, permitiendo la clarificación en el fondo del tanque[7].

Fig. 37. Esquema de filtración por aire disuelto

La proporción de separación y flotación usando la tecnología DAF está dada por acción de elevación de las burbujas microscópicas, que es de aproximadamente 30 cm. por minuto para las burbujas de 20 micrones, en contraste con las de velocidad de asentamiento en una planta convencional y que es menor a 2.5 cm/min. Esto debido a la pequeña diferencia entre la gravedad específica de los sólidos suspendidos finos y el agua. De acuerdo a estas diferencias de velocidades, tenemos que la flotación es aproximadamente 12 veces más rápida que los procesos clásicos. Esta tecnología tiene ventajas únicas en su género cuando es utilizado como: a) b) c) d)

Tratamiento Único. Tratamiento Primario antes de un tratamiento biológico existente futuro. Tratamiento Secundario después de un tratamiento biológico existente o futuro. Clarificación Secundaria y Filtración Terciaria en plantas compactas de Agua Potable.

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La Tecnología Avanzada de Flotación, permite un método de clarificación de efluentes tan eficiente como económica. El mecanismo del proceso de la DAF, (Flotación Aire Disuelto) genera burbujas muy pequeñas, con un promedio de diámetro de 20 micrones; esto, en la parte media de la suspensión. Estas burbujas se adhieren tanto a sólidos finos, materia en suspensión, bacterias, precipitados de grasas, aceites, jabones, metales pesados, colorantes, proteínas, elementos orgánicos, etc., levantándolas y haciéndolas flotar en la superficie, permitiendo la clarificación en el fondo del tanque. La proporción de separación y flotación usando la tecnología DAF está dada por acción de elevación de las burbujas microscópicas, que es de aproximadamente 30 cm. por minuto para las burbujas de 20 micrones, en contraste con las de velocidad de asentamiento en un clarificador por sedimentación, y que es menor a 2.5 cm/min. Esto debido a la pequeña diferencia entre la gravedad específica de los sólidos suspendidos finos y el agua. De acuerdo a estas diferencias de velocidades, tenemos que la flotación es aproximadamente 12 veces más rápida que la sedimentación. Esta Tecnología de Flotación aprovecha al máximo los siguientes principios: 1.- Se usa un tanque de poca profundidad, exactamente de 40.64 cm a 45.78 cm. Esto hace que las distancias por subir de las burbujas de lodos sea corta. 2.- La alimentación de entrada llega al tanque por medio de un manifold radial en rotación. El flujo en proporción controlada que forma la alimentación, se sincroniza con la velocidad de rotación del manifold, de tal manera que la mezcla aire-agua se deposite dentro del tanque, como si se estuviera extendiendo una alfombra de agua, es decir, sin velocidad (Principio de Velocidad Cero).La condición estática (libre de corrientes cruzadas o gradientes de velocidad), permite una flotación eficiente de los sólidos floculados, resultando la clarificación del agua en la parte baja del tanque. El agua clarificada fluye al depósito central a través de tubos de extracción perforados, los cuales están sujetos al anillo de reunión del movimiento. Los sólidos pesados que se sedimentan en el fondo, son llevados a una tolva localizada en el mismo fondo, por medio de una hoja de limpieza. 3.- La capa de lodo flotado se recoge de la superficie por medio de una cuchara en espiral, la cual también gira alrededor del tanque permitiendo que la capa de lodo se mantenga en un lugar (Acción mecánica que estabiliza los lodos para ser removidos). El tiempo de retención del agua en estos tipos de clarificadores de Flotación Avanzada, es nominalmente de tres minutos, resultando con esto un equipo de poca profundidad, de poco peso, idóneo para ser instalado en diversas localizaciones; alrededor de las instalaciones, dentro o fuera, así como arriba ó abajo.

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Documentos y enlaces de apoyo: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01567e14.pdf Entrar en el siguiente enlace http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_03.pdf http://www.daftechindia.com/spanish/dafclarifiers.html

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2.2.4 LECCIÓN 24. AIREADORES POR ASPERSIÓN, DE EFLUENTES O SURTIDORES En purificación de aguas se diseñan aireadores del tipo de contacto líquido – gas, es decir, sistemas den los cuales se expone el agua al aire en pequeñas gotas (aireadores por aspersión y de bandejas) o en láminas delgadas (aireadores de cascadas). A continuación se resumen los principales criterios y ecuaciones para su diseño[8]. 2.2.4.1 Aireadores por aspersión, de efluentes o surtidores La velocidad inicial de una gota que sale de una boquilla esta dada por:

Donde. Vo Cv g H

= Velocidad a la salida de la boquilla, m/s = Coeficiente de velocidad = Aceleración de la gravedad, m/s2 = Cabeza de energía total en la boquilla, m

El caudal descargado por la boquilla esta dado por:

Donde: Qo = Caudal descargado por una boquilla, m3/s Cd = Coeficiente de descarga Ao = Área de la abertura en la boquilla, m2 Tiempo de exposición teórico Se obtiene mediante la fórmula

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Las distancias verticales y horizontales alcanzadas por los chorros de obtiene de las ecuaciones de tiro parabólico:

Y O también

Los principales criterios de diseño se resumen en la Tabla 26 Tabla 26. Criterios de diseño de aireadores por aspersión

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008)

En líneas generales el diseño consiste en:  Establecer el tiempo de contacto.  Determinar la carga hidráulica necesaria para el tiempo de contacto dado en la boquilla más desfavorable.  Establecer la velocidad del chorro a la salida de las boquillas  Determinar el caudal descargado por cada boquilla y el número de boquillas requerido.  Determinar la altura y la distancia horizontal que alcanzarán los chorros.  Establecer las dimensiones del tanque receptor, de acuerdo con la distribución escogida para las boquillas.

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2.2.4.2 Aireadores de cascadas Son aireadores en los que una altura disponible se subdivide en varias caídas para incrementar la cantidad de oxígeno al agua que atraviese esta estructura o por le contrario disminuir el contenido de los gases no deseables. La Fig. 38, nos presenta el diagrama de esta estructura.

Fig. 38. Aireadores de cascada Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005)

El tiempo de contacto se establece por caída libre y depende del número de escalones, así:

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Donde: t h g n

= tiempo de exposición o contacto, s = altura de cada escalón, m = aceleración de la gravedad, m/s2 = número de escalones

El área superficial del aireador se determina a partir de la carga hidráulica

En donde: Q = caudal, m3/d CH = carga hidráulica, m3/m2d A = área superficial, m2 En la tabla se resumen los principales criterios de diseño Tabla 27. Criterios de diseño para aireadores de cascada

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008) Cuando se diseñan escalones concéntricos, el área superficial corresponde al área de la plataforma mayor. Cuando se trata de escalones longitudinales, el área superficial es la suma de las áreas de las “huellas” Para el diseño se requiere:  Establecer el tiempo de contacto  Determinar la altura de cada escalón y el número de plataformas o escalones

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 Establecer, a partir de una carga hidráulica escogida, el área superficial y las dimensiones de las plataformas o escalones.  Determinar la altura total del aireador. La ampliación del tema se encuentra en el siguiente enlace. http://es.scribd.com/doc/63456172/76/Transferencia-de-gases-aireacion 2.2.4.3 Aireadores de bandejas Corresponden a un sistema de bandejas con perforaciones en su parte inferior, colocadas en forma sucesiva con intervalos de 30 a 75 cm. El ingreso del agua es por la parte superior y debe distribuirse a través de una tubería perforada, debiendo caer a la primera bandeja y asi sucesivamente, ver Fig. 39. Los orificios practicados en cada bandeja serán circulares con diámetros de 5 – 12 mm con una separación de 2.5 cm entre ellos.

Fig. 39. Aireador de bandejas Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005) Como en los aireadores de cascadas, el tiempo de contacto de pende de la altura de caída, de modo que se utiliza la misma ecuación, teniendo en cuenta que ahora n corresponde al número de bandejas y h a la separación libre entre ellas. Igualmente, el área superficial se obtiene a partir de la ecuación del área para aireadores de cascada, y corresponde a la

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suma de las áreas de las bandejas. Para el cálculo de las perforaciones se utiliza la ecuación de descarga a través de un orificio.

Qo Cd Ao h´

= caudal descargado por un orificio, m3/s = Coeficiente de descarga = Área del orificio, m2 = altura de la lámina de agua sobre la bandeja (alrededor de 0.15m)

Algunos criterios de diseño se presentan en la Tabla 28 Tabla 28. Criterios de diseño para aireadores de bandejas.

Los pasos para el diseño son semejantes a los del aireador de cascada.

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2.2.5 LECCIÓN 25. EJERCICIOS DE DISEÑO

2.2.5.1 Aireador de cascada Diseñar un aireador de cascadas para una carga hidráulica de 600 m3/m2d, para la población de San Pedro (Q=0.15m3/s), el tiempo de retención de 1 segundo, y se emplearan plataformas circulares concéntricas. Solución a) Determino el número de escalones para una altura de 0.3m por escalón:

b) El área de la plataforma mayor debe ser:

c) La cascada es de tipo rectangular por lo tanto si asumimos que L=2b, tenemos que:

Con lo cual tenemos que L=6.57m

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2.2.5.2 Aireador de bandeja Diseñar un aireador de bandejas para los mismos parámetros (caudal, tiempo de contacto y carga hidráulica) del ejercicio anterior, con perforaciones de ¼” (Cd=0.85) Solución a) Determinar el número de bandejas con una separación de 0.45m.

b) Cálculo del área de las bandejas

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c) Área de cada bandeja

d) Dimensionamiento de cada bandeja, escogiendo bandejas cuadradas tenemos que la longitud será:

Con perforaciones de ¼” = 0.635 cm, El área de cada orificio será Aorificio=π*d2/4 Aorificio = π*d2/4= π*0.635cm2/4=0.317 cm2= 3.167* 10-5 m2 e) Cálculo del caudal sobre cada bandeja, manteniendo una lámina de agua de 15 cm sobre las bandejas.

f) Determinación del número de perforaciones

Si se reparten las perforaciones en 35 filas de 35 orificios cada una, se tendrán 1225 orificios.

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Fig. 40. Diseño de bandejas de aireación

2,35

1,6

0,45

0,00635

0,00635

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2.3

CAPITULO 6. DESINFECCIÓN

2.3.1 LECCIÓN 26 GENERALIDADES Distintos grupos que han habitado este planeta. En ocasiones, pestes y plagas, muchas veces aleatorias, coyunturales y únicas, han diezmado a países o regiones enteras. Sin embargo, hay enfermedades que parecen ser tan antiguas como el ser humano y su vigencia y protagonismo son parte de la vida cotidiana. Se trata de las enfermedades diarreicas. El “Reporte de Salud Mundial” de la Organización Mundial de la Salud de fin de siglo XX, ubica a las diarreas como la séptima causa de muerte en el mundo después de las enfermedades coronarias, los accidentes cerebro vasculares, las infecciones respiratorias agudas, el HIV/SIDA, las obstrucciones crónicas pulmonares y las condiciones adversas perinatales. Si bien esa colocación evidencia la importancia de las mismas, el dato de séptima causa de mortalidad queda empalidecido cuando la misma Organización Mundial de la Salud reporta que las diarreas son, de lejos, la primera causa de morbilidad en el ser humano, con cuatro mil millones de casos anuales. Se estima que en todo momento, casi la mitad de la población que habita el mundo en desarrollo está soportando un episodio de diarrea. Infelizmente, esa prolongada presencia en la vida de los seres humanos ha hecho que se pierda de vista la magnitud y el peso que la misma representa sobre la salud y la calidad de vida de los individuos y sobre la economía de la humanidad en su conjunto. Las diarreas tienen como causas, una deficiente nutrición, la inapropiada disposición de excretas, inadecuadas prácticas higiénicas, y una mala calidad del agua de bebida. Las primeras de esas causas podrían englobarse dentro del contexto de pobreza y de pautas culturales inapropiadas que aquejan a tantos, mientras que el último punto, el de la mala calidad del agua de consumo aparece como una responsabilidad de la ingeniería sanitaria y de otras ciencias asociadas (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004). En este sentido, la desinfección representa la última etapa del tratamiento. Si se habla de “barreras múltiples”, la desinfección es el último resguardo que tiene la salud pública en la producción y distribución del agua potable. En los países desarrollados, esta etapa del tratamiento siempre se ha tenido como eje de la calidad microbiológica del agua que se entrega y los resultados han sido claros. Las tasas de esos países son inferiores en varios órdenes de magnitud a las de los países en vías de desarrollo. Como ejemplo pueden citarse los valores de mortalidad por enfermedades diarreicas en Europa (3 por mil) y de África (12,4 por ciento). (Galal Gorchev, 1996), reconoce dos factores y dos comentarios sobre el proceso en países en vías en desarrollo. a) El primero es que en los países desarrollados es obvio que la desinfección está incorporada como un proceso ineludible, fijo y establecido. Es una rutina normal

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que se ejerce con todo el conocimiento y convicción de lo que representa. Como tal, en esos países, la ingeniería sanitaria, la química, la bioquímica y la toxicología evalúan, desde el punto de vista técnico y en profundidad, las mejores capacidades, las mayores eficiencias y los menores costos. Y desde el punto vista sanitario y toxicológico ahondan las características y las relaciones que tienen los desinfectantes y los productos de la desinfección con la salud. b) El segundo comentario es que en los países en desarrollo ocurre lo contrario. Los tratamientos de potabilización, sobretodo en áreas rurales, son imprecisos y la mala operación y el escaso mantenimiento están extendidos. Es así que los procesos de desinfección son pobres y no se respeta el papel que cumplen como protección de la salud pública. En 1995, la Organización Panamericana de la Salud realizó una encuesta en América Latina y comprobó que solo 41% de las aguas entregadas a la población por medio de sistemas de producción y distribución recibían una adecuada desinfección. Sin embargo, en las áreas rurales de los países en desarrollo, donde una pequeña población difícilmente tiene personal técnico idóneo, con posible aislamiento geográfico que deja fuera de contexto a respaldos técnicos imprescindibles, con conocimientos que solo permitirán una administración confusa y en general con escasos recursos; lo perfecto es, como se ha mencionado: utópico. Un paso tímido y no completo, pero de todos modos un “mejoramiento de la situación” será la utilización de prácticas de operación adecuadas al nivel cultural del lugar y el uso de tecnología verdaderamente apropiada. Frente a un equipo controlado por circuitos impresos, con leds de colores y que trabaja con errores de dosificación a la derecha de la coma; una caja de madera con una válvula de inodoro; una botella con un vaso de plástico dentro, un par de electrodos que generan hipoclorito a partir de sal de mesa; una botella colocada al sol; o un simple filtro de arena, son técnicas que pueden parecer ingenuas o pueden ser percibidas como excesivamente simples. Pero en rigor, ellas y otras que se presentarán en las páginas siguientes, son conspicuos representantes del gran caldero de la tecnología apropiada, que como se ha expresado, es un paso en la dirección correcta. Más aun, no debe confundirse su humildad y poco brillo con inseguridad o ineptitud. Todos los artilugios que se presentan en este manual tienen denominadores comunes: han sido probados, tienen una larga historia de funcionamiento en diversidad de lugares y situaciones y son lo suficientemente precisos como para llevar a la desinfección (y a la calidad del agua) a un nivel de excelencia aceptable.

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CONSIDERACIONES SOBRE LA DESINFECCIÓN Tal como se ha expresado, la desinfección es un proceso clave en cualquier sistema de tratamiento de agua. Por ello, en la producción de agua segura para consumo humano es importante destacar consideraciones especiales antes de su implementación. En las líneas que siguen se habrán de detallar algunas. Al diseñar un sistema de tratamiento de agua, en especial en el área rural, debe tomarse a la desinfección no como un elemento más, sino como un componente vital del sistema. En muchos casos, quien diseña un sistema de provisión de agua en una pequeña comunidad no solo toma a la ligera la desinfección, sino que hasta prioriza la producción de agua (cantidad), ante la seguridad de la misma (calidad). Ya se ha comentado que ninguna opción válida dentro de la tecnología apropiada es desechable ni se puede desestimar. Pero sí es importante que en la selección de esa tecnología se tomen en cuenta condicionantes tales como los recursos disponibles y la posibilidad de soporte técnico en los aspectos sociales, económicos y culturales de la comunidad. Cuando se está diseñando un sistema de desinfección debe entenderse que el mismo no puede estar disociado ni ser incongruente con la planta o sistema donde estará incluido. Por un lado, una planta de tratamiento de microfiltración con sistemas automatizados, energía eléctrica y personal capacitado para la operación y cuidado de la misma, podrá tener una bomba de diafragma o pistón manejada por un microprocesador. No sería en este caso “congruente” tener un sistema hecho con un flotador y un tubo de plástico agujereado dentro de un tanque de asbesto cemento. Por otro lado, si se trata de un sistema muy simple y rural, en donde ni siquiera se cuenta con energía eléctrica, no tendría sentido pensar en incorporar un generador de dióxido de cloro como sistema de desinfección. Muchas veces, la falla de estos sistemas se debe a la dependencia de la “importación” de productos químicos de otros países o de otras localidades. Esto puede acarrear demoras y discontinuidad, que frecuentemente pasan de ser temporales a permanentes. En la etapa de selección de la técnica y el sistema de desinfección se deben tener en cuenta sus características y contrastarlas con las características de la planta, el lugar y la comunidad. Es una buena receta tratar de complementar las mejores condiciones de la técnica y del sistema de desinfección con las de la fuente, lugar, sistema, población y sus características culturales. Esto es importante, pues la realidad indica que no hay lugar, sistema ni comunidad que sean perfectos.

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2.3.2 LECCIÓN 27. TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN En términos prácticos, desinfectar el agua significa eliminar de ella los microorganismos existentes, capaces de producir enfermedades. En la desinfección se usa un agente físico o químico para destruir los microorganismos patógenos, que pueden transmitir enfermedades utilizando el agua como vehículo pasivo. La desinfección es un proceso selectivo: no destruye todos los organismos presentes en el agua y no siempre elimina todos los organismos patógenos. Por eso requiere procesos previos que los eliminen mediante la coagulación, sedimentación y filtración. Para diferenciar claramente los conceptos referidos a la destrucción de organismos patógenos del agua, es necesario distinguir los siguientes términos: a) Agente esterilizante: es aquel capaz de destruir completamente todos los organismos (patógenos o no). b) Desinfectante: es el agente que inactiva los gérmenes patógenos. c) Bactericida: agente capaz de inactivar las bacterias. d) Cisticida: agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes.

2.3.2.1 Utilidad de la desinfección El uso de la desinfección como parte de un proceso de tratamiento del agua puede obedecer a los siguientes objetivos: a) Reducir el contenido inicial de contaminantes microbiológicos en el agua cruda (predesinfección). Este proceso se utiliza solo en casos especiales. b) Desinfectar el agua luego de la filtración. Constituye el uso más importante. c) Desinfección simple de un agua libre de contaminantes fisicoquímicos que no requiere otro tratamiento. Para que la desinfección sea efectiva, las aguas sujetas al tratamiento deben encontrarse libres de partículas coloidales causantes de turbiedad y color, las cuales pueden convertirse en obstáculos para la acción del agente desinfectante. La desinfección alcanza una eficiencia máxima cuando el agua tiene una turbiedad cercana a la unidad. Por ello es indispensable desplegar los esfuerzos necesarios para que los procesos de tratamiento previos sean efectivos y eficientes.

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2.3.2.2 Factores que afectan la desinfección Los factores que influyen en la desinfección del agua son los siguientes: a) Los microorganismos presentes y su comportamiento El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia definitiva en el proceso de desinfección. La reacción de los microorganismos frente a un desinfectante parece estar determinada por la resistencia de sus membranas celulares a la penetración del mismo y por la relativa afinidad química con las sustancias vitales del microorganismo. Las bacterias como las del grupo coliforme y las salmonelas son las menos resistentes a la desinfección, pues su respiración se efectúa en la superficie de la célula. El número de microorganismos presentes en el agua no afecta el proceso de desinfección. Ello quiere decir que para matar una gran cantidad de microorganismos se requiere la misma concentración y tiempo de contacto del desinfectante que para eliminar una cantidad pequeña, siempre y cuando la temperatura y pH del agua sean los mismos. Cuando las bacterias forman aglomerados celulares, las que se encuentran protegidas en el interior pueden sobrevivir luego del proceso de dosificación del desinfectante. Para evitar que esto ocurra, es necesario favorecer la distribución uniforme de los microorganismos en el agua, lo cual se puede lograr mediante la agitación. b) La naturaleza y concentración del agente desinfectante Desinfectantes como el cloro y derivados pueden formar en el agua una serie de especies químicas cloradas, de diferente eficiencia desinfectante. Por otro lado, la concentración del desinfectante determinará el tiempo de contacto necesario para destruir todos los microorganismos presentes en el agua. c) La temperatura del agua Por lo general, la temperatura favorece el proceso de desinfección. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que la solubilidad de los agentes desinfectantes en estado gaseoso es inversamente proporcional a la temperatura. Por tanto, en condiciones extremas de temperatura —por ejemplo, en lugares donde el agua llega a menos de 5 ºC o en otros donde puede tener 35 ºC—, la cantidad del desinfectante disuelto en el agua variará considerablemente; será menor a mayor temperatura y viceversa.

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d) La naturaleza y calidad del agua La materia en suspensión puede proteger a los microorganismos existentes en el agua e interferir en la desinfección. La materia orgánica puede reaccionar con los desinfectantes químicos y cambiar su estructura. En ciertos casos, si en el agua persisten compuestos orgánicos que no han sido removidos en los procesos previos a la desinfección, se pueden generar derivados tóxicos o compuestos que confieren sabor u olor al agua, muchos de ellos desagradables, lo que cambiaría su calidad organoléptica. e) El pH El pH del agua es de suma importancia para la vida de los microorganismos acuáticos, ya que valores muy altos o muy bajos ofrecen a los microorganismos un medio adverso, con excepción de los quistes de amebas, que soportan pH tan altos como 13 ó tan bajos como 1. Por otra parte, la acción de los desinfectantes es fuertemente influenciada por el pH del agua. De acuerdo con su naturaleza, cada desinfectante tiene un rango de pH de mayor efectividad. Sin embargo, la práctica demuestra que cuanto más alcalina es el agua requiere mayor dosis de desinfectante para una misma temperatura y tiempo de contacto. f) El tiempo de contacto Cuanto mayor es el tiempo de contacto, mayor será la posibilidad de destrucción de los microorganismos para una cierta dosis de cloro aplicado.

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2.3.3 LECCIÓN 28. TIPOS DE DESINFECCIÓN. La desinfección se puede dividir en natural y artificial. La primera se refiere a la muerte progresiva de las bacterias, producida por agentes naturales tales como la luz solar, la sedimentación, la filtración en las capas arenosas del suelo, o la estabilización de la materia orgánica que disminuye la reserva de alimento para los microorganismos. La desinfección artificial puede realizarse mediante agentes físicos o químicos. Los agentes físicos más importantes son: El calor y los rayos ultravioleta. Los agentes químicos más importantes son: los halógenos (cloro, bromo y yodo), la plata ionizada y el ozono. 2.3.3.1 Agentes físicos La sedimentación natural es un proceso por el cual se realiza la decantación de partículas en suspensión por la acción de la gravedad. La decantación natural del material fino, como limo y arcillas, ayuda a la remoción de las bacterias; sedimentan más rápidamente los esporulados y los huevos de helmintos. La eficiencia de remoción de estos microorganismos dependerá del tiempo de retención del agua en el reservorio o sedimentador. Debido a que la sedimentación es un proceso en el cual la carga de microorganismos patógenos del agua puede concentrarse en los lodos, es necesario tener en cuenta que los presedimentadores, usados para abastecimiento de agua cruda, requieren un manejo cuidadoso a fin de no captar aguas estratificadas cuya calidad cause problemas en la planta de tratamiento. Por estas consideraciones, se recomienda: a. Estudiar el comportamiento del presedimentador, tanto en verano como en invierno, en función de la calidad fisicoquímica y bacteriológica del agua que se capta. b. Eliminar periódicamente los lodos generados, para lo cual debe conocerse permanentemente la altura que va tomando. No es recomendable devolver este material al curso de agua cercano, ya que su alto grado de contaminación afectaría seriamente los demás usos del agua (agricultura, pesca, etcétera). Estos lodos deben ser retirados por medios mecánicos y tratados con cal, a fin de eliminar los huevos de helmintos existentes.

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c. Efectuar la circulación vertical del agua, con la finalidad de eliminar la estatificación o de lograr que esta se produzca a la mayor profundidad posible, de tal modo que permita la oxigenación adecuada del agua Coagulación–floculación–sedimentación Los procesos de mezcla, coagulación, floculación y sedimentación son bastante eficientes en la remoción de la mayoría de las bacterias, protozoarios y virus que se encuentran en el agua, debido a que estos microorganismos son partículas coloidales y por ello se encuentran sometidos al mismo mecanismo de remoción de los demás coloides. Evidentemente, al continuar la aglutinación de partículas, las bacterias y los virus son incorporados dentro de los microflóculos y se sedimentan. Por esta característica, en los lodos provenientes de los sedimentadores, se encuentra gran cantidad de bacterias y virus, lo que obliga a manejar estos lodos con bastante cuidado por su peligro potencial.

Filtración Los filtros lentos pueden llegar a remover 96% de bacterias, cuando el agua no presenta más de 100 ppm de materias en suspensión y 200 bacterias por mililitro. Los filtros rápidos pueden llegar hasta 98% de eficiencia en la remoción de bacterias. La filtración es muy efectiva en la retención de los microorganismos grandes, como las algas y diatomeas; pero los olores y sabores asociados a ellos no son eliminados a menos que se consideren otros procesos específicos para este fin. La luz y los rayos ultravioleta La luz ultravioleta (longitud de onda correspondiente a la máxima acción microbicida = 254 nm) mata las bacterias. Sin embargo, la profundidad de penetración de esta radiación en el agua es limitada, lo que se traduce en que si se requiere eficiencia en la eliminación de microorganismos por rayos ultravioleta, se deben irradiar solo láminas delgadas de agua. Su aplicación solo se reduce a aguas claras y no contaminadas. Como cualquier proceso, la desinfección con rayos ultravioleta presenta ventajas y desventajas. Entre las ventajas se pueden citar las siguientes:

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a) Actúa sobre una amplia gama de microorganismos, ya que los rayos ultravioleta inactivan los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Pueden eliminar bacterias comunes, esporulados y virus. b) No reacciona con los constituyentes del agua y, por tanto, no forma derivados ni cambia las condiciones organolépticas del agua. c) El proceso es sencillo y de bajo costo. d) El proceso no necesita tanques de mezcla o de contacto. Entre las desventajas pueden mencionarse las siguientes: a) La penetración de los rayos en el agua está limitada por el color y la turbiedad, por lo que el agua debe ser completamente clara. b) Con el transcurso del tiempo, las lámparas pueden ensuciarse, lo que reducirá la capacidad de penetración de los rayos. c) La vida útil de las lámparas es muy limitada. d) Los rayos ultravioleta tienen efecto puntual, no dejan radiación residual para eliminar la contaminación posterior en la red, muy frecuente ya que a menudo se producen presiones negativas que pueden permitir el ingreso de aguas contaminadas. 2.3.3.2 Agentes químicos Los compuestos químicos usados en la desinfección del agua son, por lo general, oxidantes fuertes que tienen gran eficiencia en la eliminación de los microorganismos y pueden dejar remanentes tóxicos en el agua, los cuales requieren un control estricto para evitar riesgos en la salud del consumidor. Los más importantes son los siguientes: a) Los halógenos como el cloro, el bromo y el yodo. El efecto germicida y de penetración de estos aumenta con su peso atómico. Por ser los de mayor importancia, se hará mayor referencia a cada uno de ellos en las siguientes secciones. b) El ozono (O3). c) El permanganato de potasio (KMnO4). d) El agua oxigenada (H2O2) y los iones metálicos.

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Características de un buen desinfectante químico Para garantizar su efectividad, un buen desinfectante debe cumplir con una serie de requisitos. Los más importantes son los siguientes: a) Ser capaces de destruir, en un tiempo razonable, los organismos patógenos, independientemente de la cantidad en la que estén presentes y de las condiciones propias del agua. b) En las dosis usuales, no ser tóxicos para el hombre ni para los animales domésticos, ni presentar olor ni sabor en el agua. c) Tener un costo razonable; ser de manejo y dosificación seguros y fáciles. d) La determinación de la concentración en el agua debe ser fácil, rápida y económica (de preferencia, automática). e) Debe dejar residuales persistentes en el agua, de manera que estos actúen como una barrera sanitaria para posibles contaminaciones futuras.

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2.3.4 LECCIÓN 29. EL CLORO El cloro, oxidante poderoso, es, sin duda alguna, el desinfectante más importante que existe, debido a que reúne todas las ventajas requeridas, incluyendo su fácil dosificación y costo conveniente. Sin embargo, presenta algunas desventajas: a. Es muy corrosivo. b. Puede producir sabor desagradable en el agua, incluso en concentraciones que no significan riesgo para el consumidor. c. Su manejo y almacenamiento requiere ciertas normas de seguridad, para evitar riesgos en la salud de los operadores. El cloro, en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas verde, dos y media veces más pesado que el aire. Algunas de sus sales también tienen poder desinfectante. Las más usadas son el hipoclorito de calcio y el hipoclorito de sodio, cuya eficiencia bactericida es idéntica a la del cloro y que producen reacciones similares en el agua. Se emplean en plantas pequeñas, piscinas y pozos, pues los hipocloradores son más sencillos y económicos. En términos generales, el costo del hipoclorito es más alto que el de la cloración con cloro gaseoso, pero en lugares donde no se pueden transportar cilindros de cloro o en situaciones de emergencia es la única alternativa posible. Características del cloro como desinfectante a) Destruye los organismos patógenos del agua en condiciones ambientales y en un tiempo corto. b) Es de fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo. c) La determinación de su concentración en el agua es sencilla y de bajo costo. d) En las dosis utilizadas en la desinfección de las aguas, no constituye riesgo para el hombre ni para los animales. e) Deja un efecto residual que protege el agua de una posterior contaminación en la red de distribución.

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2.3.4.1 Reacciones del cloro en el agua y su relación con el proceso de cloración

El cloro, al entrar en contacto con el agua, lo primero que ocurre es que este se hidroliza reaccionando con el H2O, luego se combina con al amoniaco presente y con la materia orgánica, asi como ciertas sustancias químicas para producir una gran diversidad de compuestos, algunos de los cuales tienen propiedades desinfectantes y otros no. Básicamente se pueden considerar dos tipos de reacciones: Las de hidrólisis En que el cloro interacciona con la molécula de agua para producir ácido hipocloroso (HOCl) e ion hipoclorito (OCl). A estos compuestos se les llama cloro libre. Las de oxidación – reducción En que el cloro se combina: a) Con el nitrógeno amoniacal para producir cloraminas (monocloraminas NH2 Cl y dicloramina NHCl2, a las cuales se les llama cloro combinado utilizable). También se puede producir tricloruro de nitrógeno, NCl3. b) Con los aminoácidos, materiales proteínicos y orgánicos y sustancias químicas (Fe++, Nm++, NO2, H2S), con los cuales produce distintos compuestos clorados que forman el cloro combinado no utilizable o demanda. La Tabla 29, resume los tipos de reacción del cloro en el agua y su efecto en el proceso de desinfección. Tabla 29. Tipos de reacción del Cloro en el Agua

Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

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Las cloraminas, productos del cloro combinado, son responsables de la desinfección como cloro residual, por ser más estables que el ácido hipocloroso o el hipoclorito. Tienen condicionada su formación, también al pH del agua. Los residuales de las cloraminas, por ser relativamente estables, tienen una acción desinfectante más lenta. Esta capacidad decrece con el menor contenido de cloro en su molécula; es decir, la dicloramina es más activa que la monocloramina. Cada uno de los compuestos anteriores tiene diferentes propiedades. Algunos son desinfectantes muy activos como el HOCl, otros muy ineficientes como el NH2Cl y otros carecen de todo poder desinfectante, como son los cloruros inorgánicos y orgánicos producidos por la demanda. La Fig. 41, permite entender que la cantidad de cloro que debe considerarse para la eliminación de microorganismos no forma parte de la denominada demanda sino del cloro residual (libre y combinado). Esto significa que la eliminación de los microorganismos no produce una disminución sensible de la cantidad de cloro residual, el que, además de ejercer su acción bactericida, protege al agua contra posteriores contaminaciones.

Fig. 41. Formas importantes de cloro en la cloración del agua Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

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2.3.5 LECCIÓN 30. DOSIFICACIÓN El cálculo de la dosis necesaria para una efectiva cloración se hace mediante una prueba de laboratorio que consiste en determinar el punto de quiebre. La Fig. 42, ilustra lo que ocurre en el proceso de cloración en el punto de quiebre.

Fig. 42. Curva punto de quiebre Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004) El cloro total disponible se da como una función de la dosis de cloro y se define como la suma del cloro libre y del cloro combinado. El residual de cloro libre disponible es la suma de ácido hipocloroso (HOCl) y del ion hipoclorito (OCl-), expresado como mg.Cl2/L. El residual de cloro combinado es la suma de las monocloraminas (NH2Cl), de las dicloraminas (NHCl2) y de las tricloraminas (NCl3), expresada como mg.Cl2/L. Normalmente, el cloro libre es mucho más eficiente (requiere una dosis menor en un tiempo de contacto también menor) que las cloraminas. Por lo anterior, en el tratamiento del agua, cuando el cloro es el único desinfectante aplicado y cuando las aguas están muy contaminadas, se recomienda la cloración al punto

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de quiebre, lo cual significa que la dosis de cloro aplicada es suficiente para superar ese punto y, por lo tanto, ha sido oxidado todo el amoniaco (NH3) presente, con un residual de HOCl, de OCl- o una combinación de ambos según sea el pH del agua. 2.3.5.1 Normatividad RAS 2000 La RAS 2000 en su título C, nos da ciertas recomendaciones referentes a la concentración y el punto de aplicación, estas son:  Concentración en cloro residual La concentración de cloro residual libre en el sistema de distribución debe estar entre 0.2 mg/L y 1.0 mg/L, según lo fijado por el Decreto 475 de marzo 10 de 1998 del Ministerio de Salud.  Punto de aplicación El cloro debe aplicarse en un punto donde provea una mezcla óptima y asegure un máximo tiempo de contacto. El cloro debe poderse aplicar en dos etapas en caso de ser necesario: antes del tanque de sedimentación secundaria y después de éste.  Tiempo de contacto El período de contacto en la cámara de cloración no será menor de 30 minutos con base en el caudal medio diario. Después de una mezcla rápida sustancial debe proveerse un tiempo de contacto mínimo de quince minutos en el caudal máximo horario ó la razón máxima de bombeo.

2.3.5.2 Selección de la dosis del desinfectante, método concentración - tiempo. Cualquiera sea el nivel de complejidad, la determinación de la dosis de desinfectante con la cual debe operar la planta de tratamiento y el dimensionamiento de los distintos componentes de la misma debe hacerse por el método concentración-tiempo. Este método parte del principio de que la concentración “C” de desinfectante aplicado (cloro libre) multiplicada por el tiempo de detención “t” desde que se aplica dicha dosis hasta que se consume el agua, es igual a una constante “C”, o sea que Ct=K. Los valores de esa constante K están dados en las Tabla 30y Tabla 31. Fueron tomados de los que aparecen en las regulaciones de la Agencia de Protección del Ambiente de los Estados Unidos, los cuales varían con el pH y la temperatura del agua, según sea la eficiencia del tratamiento que se le dé a éste en los procesos previos a la desinfección (sedimentación y

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filtración) en los que se remueve un cierto porcentaje de organismos patógenos, que en algunos casos puede llegar hasta el 99%. Se emplea la ley de Watson, que se expresa así:

En donde: C = Concentración K = Constante que depende del pH. t

= Tiempo de detención desde que se aplica dicha dosis hasta que se consume el agua,

n

= Constante empírica, Chang, Clarke y Berg, reportan un valor de 0.86.

Arboleda Valencia en su libro nos presenta la Fig. 43, donde se puede determinar de manera directa la dosis de cloro.

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(Arboleda Valencia, 2000) Fig. 43. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de coliformes con cloro libre Sin embargo el empleo de esta fórmula involucra las siguientes aproximaciones: a) Completa ausencia de retromezcla en el sector. b) Los microorganismos y los desinfectantes están uniformemente distribuidos en el líquido. c) Existe una mezcla completa entre el desinfectante y el líquido. d) La concentración del desinfectante es constante en el tiempo. e) La tasa de inactivación es dependiente del número de organismos sobrevivientes f) La tasa de inactivación es directamente proporcional a la concentración C. Las tablas suministradas por la RAS 2000, para los valores de Ct que aparecen en las Tabla 30 y Tabla 31, parten de los siguientes supuestos:

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a) Toda agua superficial está contaminada con protozoarios y virus entéricos. b) Los procesos de tratamiento (coagulación – sedimentación – filtración) remueven parte de los protozoarios y virus entéricos cuando los hay en el agua cruda. c) La concentración efectiva para calcular el Ct es la que existe al final del periodo de detención. Estos supuestos, si bien están de lado de la seguridad, obligan a darle una desinfección muy exigente a todas las aguas en especial por cuanto, el tiempo de detención que hay que tomar es bastante menor que el teórico y la concentración es la final, sin tener en cuenta que al comienzo es mucho más alta. La AWWA ha fijado como meta mantener 0.5 mg/L de cloro libre a 2.0 mg/L de cloro combinado una vez satisfecha la demanda. Pero acepta como nivel de operación 1.0 mg/L de cloro combinado en cualquier punto de la red de distribución, o cantidades detectables de cloro libre. Si la operación de la planta permite durante el 90% de su operación, la remoción del 95 al 99% de coliformes en los procesos previos de sedimentación y filtración y la turbiedad del agua filtrada se mantiene durante el 95% del tiempo menor de 1,0 UNT, debe usarse la Tabla 30. Tabla 30. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log 3 10ºC 15ºC 20ºC 25ºC Dosis de pH pH pH pH Cloro Aplicada mg/l 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 0.08m con lo cual el cálculo es correcto OK. Por lo tanto para calcular la la altura del vertedero de salida aumentamos de 10 – 15 cm, de la altura de la lámina de agua, con lo cual la profundidad del vertedero Hv = 0.18+0.12 = 0.3m

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h) Dimensionamiento: En las Fig. 61 y Fig. 62, se observa el diseño preliminar de un sedimentador convencional.

0,4

4.0

0,5

0,4

15.3

7.7 0,2

0,2

0,3 23

Fig. 61. Vista en corte sedimentador

200

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5.7

23

0,2

7.7

15.3

0,2

Fig. 62. Vista en planta sedimentador

201

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3.3

CAPITULO 9: FILTRACIÓN

3.3.1 LECCIÓN 41. TEORÍA DE LA FILTRACIÓN

3.3.1.1 Antecedentes La filtración es un proceso físico, químico y (en algunos casos) biológico para separar del agua las impurezas suspendidas mediante el paso a través de un medio poroso (Schulz & Okun, 1998). Estudios reportan que es un proceso empleado rudimentariamente, hace aproximadamente 7000 años, los primeros filtros tuvieron un carácter doméstico. Se usaron por mucho tiempo los filtros de piedras porosas colocadas en tinajeros. En Francia se difundieron mucho en los siglos XVIII Y XIX los filtros de esponja, paño, lana y otros materiales. Cuando se hicieron los primeros filtros no domésticos el agua filtrada no se distribuía por tuberías, sino que se vendía por galones al consumidor. Así surgieron las primeras compañías de agua que fueron de carácter privado. A partir de 1856, en Francia, aparecieron los filtros a presión: “Fonvielle” y “Souchon”. Los primeros estaban constituidos por un cono truncado de hierro fundido con tapa semiesférica, en el cual había 0.7 m de lecho filtrante compuesto de 0.25m de esponjas marinas, 0.25 m de piedra caliza, se lavaban extrayendo el material filtrante. Los segundos estaban constituidos por tres lechos de paño de 0.2 m de espesor. El objeto de estos filtros era colocar los sedimentos del agua El proceso evolucionó hasta sistemas de filtración lenta en arena desarrollado en 1804, y se popularizó el uso de la escuela de la filtración descendente, a fines de este siglo muchas ciudades del viejo y nuevo mundo ya habían construido plantas de filtración. El desarrollo tecnológico continúa hasta la construcción de los filtros rápidos en arena, que aparecieron en Norteamérica, en 1855. La gran innovación fue en la limpieza del lecho filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo, se hacia invirtiendo el sentido del flujo, que en modo filtración era de arriba hacia abajo y en modo lavado de abajo hacia arriba, con lo cual se eliminaban las impurezas que habían quedado retenidas en el lecho. Esto facilitaba la operación casi continua del filtro y permitía uso de cargas superficiales considerablemente mayores (aproximadamente 30 veces más) que la de los filtros lentos. En los últimos años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente, logrando mayores eficiencias con base en un mejoramiento del medio filtrante, y una optimización de los procesos de operación, en especial en el medio filtrante donde la tecnología de membrana de micro, ultra y nano filtración, se 202

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convierten en un gran desarrollo tecnológico para tratamiento de agua (SALAZAR GAMEZ, 2005). Sin embargo los principios fundamentales de la teoría de la filtración se siguen aplicando, incluso en los procesos modernos. La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad coincidente con los estándares de potabilidad. La Fig. 63, presenta el sistema de filtración de la planta de tratamiento “Rio Cali” de EMCALI, esta compuesta por una serie de filtros rápidos, de medio de soporte mixto y de flujo ascendente.

Fig. 63. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI. Fuente: Elaboración propia.

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Fig. 64. Vista parcial de bateria de filtros de ETA Gravatá. Con acceso en: www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam08_rap.htm 3.3.1.2 Tipos de unidades de filtración La filtración puede efectuarse de muchas formas: Con baja carga superficial (filtros lentos), con alta carga superficial (filtros rápidos), en medios porosos (pastas arcillosa, papel filtro), o en medios granulares (arena, antracita, granate o combinados, con flujo ascendente de abajo hacia arriba o descenderte de arriba hacia abajo y mixto (parte ascendente y parte descendente). Por último el filtro puede trabajar a presión o por gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante. La Tabla 37, presenta la clasificación de los filtros según la velocidad de filtración, medio filtrante, sentido del flujo y carga sobre el lecho (Arboleda Valencia, 2000). Tabla 37 .Clasificación de los filtros Según la velocidad de filtración

Rápidos: 120 – 3 2 m /m /día

Según el medio filtrante usado

Según el sentido del flujo

Según la carga sobre el lecho

1. Arena ( h =60-75 cm) 2. Antracita ( h =60-75 Ascendentes Por gravedad 360 cm) Descendentes 3. Mixtos: Por presión Arena ( h =20-35 cm) Flujo mixto Antracita( h =35-50 cm) 204

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Lentos: 7-14 m3/m2/día

Arena

Descendentes Por gravedad ( h =60-100 cm) Ascendentes Horizontal

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) La filtración se identifica por la velocidad de pasaje del agua a través del manto filtrante o del manto poroso, medida como carga superficial CS, o sea el cociente entre el caudal, Q, y el área filtrante Af:

CS 

Q Af

En donde Af = Área superficial Q = Caudal que entra al filtro CS = Carga superficial Filtración por gravedad La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente se emplea en las plantas de tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor económico es la variable que define su preferencia de uso. Estas unidades pueden ser de flujo ascendente (“filtro ruso”) y ser operadas con tasa de filtración constante o declinante. Cuando es de flujo descendente, la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o constante en filtros de lecho único de arena o de lechos múltiples. Filtración ascendente La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua afluente escurre en el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la remoción de partículas suspendidas. Aunque en la filtración ascendente de agua decantada las carreras de filtración resultan más largas si se las compara con la filtración descendente en lecho de arena, la carga hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros y el mayor espesor de la capa han limitado mucho el uso de la filtración ascendente. La aplicación más ventajosa de este tipo de unidades es la filtración directa, en la que los productos químicos se aplican y dispersan en el agua cruda antes de la filtración. En seguida, el agua es conducida a los filtros por la parte inferior. Este tipo de unidades están

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siendo muy utilizadas en algunos países de Europa, de América del Sur y de Centroamérica. Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes: a) Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día. b) Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los más comunes. c) Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten tuberías individuales o tuberías individuales provistas de medidores y reguladores de caudal. La Fig. 65, presenta en forma esquemática, el diseño de un filtro de flujo ascendente de tasa constante con fondo de placas perforadas.

Fig. 65. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante Fuente: (Maldonado Yactayo, 2004)

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3.3.2 LECCIÓN 42. MECANISMOS DE FILTRACIÓN

Como las fuerzas que mantienen a las partículas removidas de la suspensión adheridas a las superficies de los granos del medio filtrante son activas para distancias relativamente pequeñas (algunos angstroms), la filtración usualmente es considerada como el resultado de dos mecanismos distintos pero complementarios: transporte y adherencia. Inicialmente, las partículas por remover son transportadas de la suspensión a la superficie de los granos del medio filtrante. Ellas permanecen adheridas a los granos, siempre que resistan la acción de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinámicas del escurrimiento. El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico, afectado principalmente por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia entre partículas y granos es básicamente un fenómeno de acción superficial, que es influenciado por parámetros físicos y químicos. Los mecanismos que pueden realizar transporte son los siguientes: a) cernido; b) sedimentación; c) intercepción; d) difusión; e) impacto inercial; f) acción hidrodinámica, y g) mecanismos de transporte combinados. Los mecanismos de adherencia son los siguientes: a) fuerzas de Van der Waals; b) fuerzas electroquímicas; c) puente químico. Cuál de estos mecanismos es el que controla el proceso de filtración ha sido asunto de largos debates. Es indudable que no todos necesariamente tienen que actuar al mismo tiempo y que, en algunos casos, la contribución de uno o varios de ellos para retener el material suspendido es quizás desdeñable.

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Pero hay que tener en cuenta que dada la complejidad del fenómeno, más de un mecanismo deberá entrar en acción para transportar los diferentes tamaños de partículas hasta la superficie de los granos del medio filtrante y adherirlas. Mecanismos de transporte Los distintos mecanismos que pueden realizar transporte de las partículas dentro de los poros del medio filtrante están esquematizados en la Fig. 66.En ella se ve cómo simultáneamente pueden actuar varias causas para aproximar el material suspendido hasta los granos del medio filtrante. Es interesante destacar que estas causas varían si la filtración se produce en las capas superficiales o en la profundidad del medio filtrante. En el primer caso, la acción física de cernido es el factor dominante, mientras que en el segundo caso es el de menor importancia.

Fig. 66. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) Cernido Resulta evidente que cuando la partícula es de tamaño mayor que los poros del lecho filtrante, puede quedar atrapada en los intersticios. El cernido, en general, actúa solo en las capas más superficiales del lecho y con partículas relativamente fuertes, capaces de resistir los esfuerzos cortantes producidos por el flujo, cuya velocidad aumenta en las constricciones. Sedimentación La remoción de las partículas menores que los tamaños de los poros puede ser debido al efecto de la gravedad, que hace que se sedimenten sobre la superficie de los granos. 208

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Intercepción Cuando la velocidad de escurrimiento es baja y las partículas suspendidas tienen densidades aproximadamente iguales a la del agua, estas viajan a lo largo de líneas de flujo. Inicialmente el floc, comienza a pegarse a la cara superior de los granos hasta llegar a cubrirlos completamente, formando una película que va creciendo con el tiempo, disminuyendo el tamaño de las constricciones por lo que aumentan el esfuerzo cortante, lo cual hace aparecer segmentos que cuelgan de los granos hasta que eventualmente se rompen para ser retenidos por granos mas profundos que se encuentran menos recubiertos. Este proceso de arrastre de la película se hace cada vez mayor, con lo que la colmatación del medio filtrante progresa en profundidad. Difusión Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas a difundirse desde zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Si se tiene en cuenta que la mayor parte de las partículas que entran en un filtro tienen un tamaño menor que 10 u (15), la difusión se constituye en una causa importante de la remoción de arcilla, más que todo en zonas donde la velocidad de flujo es prácticamente cero. La eficiencia del filtro debida a la difusión es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al diámetro de la partícula del grano. Impacto inercial Durante el escurrimiento, las líneas de flujo se curvan en la proximidad de los granos del medio filtrante; si la velocidad es alta y las partículas suspendidas relativamente grandes, la inercia que poseen hace que estas puedan seguir trayectorias diferentes a las líneas de flujo, continuando con su recorrido original lo cual hace que choquen con los granos del lecho para quedar adheridas a ellos, tal como puede observarse en la Fig. 67.

Fig. 67. Mecanismo de impacto inercial Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

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Acción hidrodinámica La remoción de partículas flocúlenlas de tamaño relativamente grande (~ 10 µm) es atribuida a la acción hidrodinámica, según se muestra en la Fig. 68. La comprensión de este mecanismo se facilita cuando se considera un escurrimiento en el que el gradiente de velocidad es constante.

Fig. 68. Mecanismo de acción hidrodinámica Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) Mecanismos de adherencia La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada, principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los granos como a partículas previamente retenidas. La adherencia es atribuida más que ha mecanismos puramente físicos, a una serie de factores químicos y electroquímicos, siendo los mas importantes las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas electrocinéticas y el puente químico. Se ha sugerido, inclusive, que la filtración no es más que un caso especial de la floculación, donde algunas partículas son fijas (aquellas adheridas inicialmente a los granos) y otras suspendidas. Fuerzas de Van der Waals. Las fuerzas de Van der Waals son altamente responsables de la adhesión de partículas a los granos de filtro. Dentro de una pequeñísima distancia desde la superficie de los granos, las fuerzas de adhesión son operativas, existiendo un volumen alrededor de cada grano que se llama espacio de adhesión. Las partículas suspendidas que entran en él pueden ser removidas del flujo, a medida que sean atraídas para adherirse a la superficie de los granos. Fuerzas electrostáticas. Las fuerzas electrostáticas combinadas con las de Van der Waals son las que determinan la adsorción entre partículas. Teniendo en cuenta la carga eléctrica de los granos y las partículas se pueden presentar tres situaciones:

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Los granos son negativos y las partículas positivas. En este caso existe una fuerza atractiva entre el medio filtrante y las partículas, lo que hace que la sola aproximación pueda producción atracción y adhesión.

-

Los granos son negativos y las partículas neutras. En este caso la barrera de energía ha desaparecido y todo contacto puede producir adhesión.

-

Los granos son negativos y las partículas también. En este caso existe repulsión. No obstante, las fuerzas hidrodinámicas pueden vencer la barrera de energía y aproximar suficientemente las partículas a los granos para que sean efectivas las fuerzas de Van der Waals, aunque la probabilidad de adhesión en esta situación es menor que en las anteriores.

Puente químico. Las cadenas poliméricas adheridas a la superficie de las partículas dejan sus segmentos activos extendidos en el agua. Dichos segmentos pueden ser absorbidos por otras partículas o por sitios vacantes en la superficie de los granos. Este fenómeno es independiente de las fuerzas de Van der Waals y de las cargas electrostáticas. Este fenómeno se acrecienta al atravesar las partículas las constricciones del lecho. El uso de ayudantes de filtración o polielectrolitos inyectados en el afluente al filtro puede, por eso, ser de gran utilidad para aumentar la adhesión de la materia suspendida al medio filtrante. La Fig. 69, esquematiza el fenómeno del puente químico.

Fig. 69. Esquema del puente químico Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) 211

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3.3.3 LECCIÓN 43. CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS La finalidad de los filtros en una planta de tratamiento de filtración rápida es la separación de las partículas y los microorganismos que no han sido removidos en el proceso de sedimentación. Se hace referencia en esta lección a los filtros rápidos descendentes, de medio doble de arena y antracita y de tasa declinante. En el diseño de la unidad deben considerarse los siguientes componentes: a) Sistema de entrada de agua b) Medio filtrante c) Caja del filtro d) Sistema de drenaje e) Sistema efluente f) Sistema de lavado del filtro

3.3.3.1 COMPONENTES DE UN FILTRO. La Fig. 70, muestra el esquema de un filtro rápido, el cual está compuesto por un lecho filtrante que constituye la parte activa del proceso de filtración, una grava de soporte que retiene el lecho y un falso fondo que recoge el agua filtrada y distribuye uniformemente el agua de lavado; adicionalmente existe una estructura de distribución e ingreso del agua, en este caso un canal común a todos los filtros que tiene orificios sumergidos para la alimentación de cada unidad, una o varias canaletas de lavado que recolectan el agua ascendente mediante la cual se limpia el lecho filtrante, un canal de agua de lavado por medio del cual se evacua el agua proveniente del lavado y un vertedero de salida que fija el nivel mínimo de agua en el filtro y crea la cabeza necesaria para efectuar el lavado de una unidad con el agua de las otras a través del canal de interconexión.

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CANAL DE DISTRIBUCION N. MAXIMO AGUA DECANTADA

DECANTADOR

ENTRADA SUMERGIDA

N. MINIMO

CANALETA DE LAVADO

VERTEDERO DE SALIDA

AGUA PARA LAVADO TANQUE

SALIDA DE AGUA DE LAVADO CANAL DE AGUA DE LAVADO

GRAVA DE SOPORTE SISTEMA DE DRENAJE

CANAL DE INTERCONEXION DE FILTROS DRENAJE

Fig. 70. Componentes de un filtro Lecho filtrante. Un lecho filtrante funciona de la siguiente forma: Inicialmente el lecho está limpio y el agua sedimentada es obligada a pasar a través del filtro por acción de la gravedad. Por la combinación de los mecanismos que gobiernan la filtración, el material suspendido es retenido en el lecho filtrante hasta que llega un momento en que éste se colmata, es decir se obstruyen los poros por donde circula el agua, aumentando la pérdida de carga, esto es la altura de la lámina de agua dentro de la caja del filtro, hasta valores que hacen necesario lavado. Para esto, lo que se hace es invertir el sentido del flujo haciendo que el agua pase de abajo hacia arriba logrando con esto que los granos del lecho se fluidifiquen, es decir, queden suspendidos por la corriente ascendente sometidos a una fuerza de cizalladura que despega y arrastra el material por ellos retenido, efectuándose de esta manera su limpieza. Después del primer lavado que se hace al filtro, al asentarse nuevamente los granos, el lecho se estratifica quedando las partículas pequeñas arriba y las grandes abajo y como consecuencia, espacios interparticulares (vacíos) de mayor tamaño abajo que arriba. Por la forma como el agua pasa por el filtro, flujo descendente, el lecho filtrante no se utiliza adecuadamente debido a que las partículas suspendidas quedan retenidas en la parte superior precisamente donde el tamaño de los espacios interparticulares es menor, lo cual aumenta la posibilidad de contacto entre las partículas de la suspensión y los granos del lecho, esto es mayor eficiencia remocional pero simultáneamente menor es el espacio de vacíos y por consiguiente, existe menor capacidad de almacenamiento de sólidos, es decir, los sólidos suspendidos colmatan el 213

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filtro en las capas superiores y no se logra utilizar la parte inferior del lecho, Para resolver este problema, se emplean los lechos filtrantes múltiples, En el caso de los lechos dobles, se coloca una capa de antracita en la parte superior, encima de la arena y debido a su mayor tamaño efectivo y a su mayor tamaño de espacios interparticulares, la antracita permite que el floc penetre más profundamente dentro del lecho haciendo que el filtro no se cólmate solamente en las capas superiores; el material suspendido que logre atravesar la antracita, es retenido en la arena aumentándose de esta forma la capacidad de almacenamiento de flóculos ya que los sólidos removidos son distribuidos más uniformemente entre las capas más profundas del lecho; la antracita que es de menor densidad tiende a permanecer sobre la capa de arena después del lavado en sentido ascendente. La disposición de las capas de antracita y arena con granulometrías diferentes permite conseguir en forma parcial que los vacíos interparticulares del lecho disminuyan en el sentido del flujo del agua. en la Fig. 71, podemos observar un filtro vacío, en donde se observa que esta compuesta en su parte superior de antracita, y en su parte inferior de arena.

Lecho filtrante

Fig. 71. Lecho filtrante mixto Fuente. PTAP la Unión – Nariño (2010). Elaboración propia Composición de los lechos filtrantes El filtro puede ser de un solo medio (arena o antracita), de medio dual (arena y antracita) o lechos mezclados. Puede ser de profundidad convencional de 0.6 m a 0.9 m o de capa profunda de más de 0.9 m de altura (RAS 2000). Las partículas deben ser duras, resistentes, de forma preferiblemente redondeada sin esquistos ni partículas extrañas, libre de lodo, arcilla o materias orgánicas.

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Una síntesis de las características de los medios filtrantes nos la presentan (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2003), en su libro Wastewater Engineering, ver Tabla 38. Tabla 38. Características de los medios filtrantes.

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Fuente: (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2003) 216

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Grava de soporte. La grava de soporte se coloca sobre el sistema de drenaje cuando éste lo requiere y tiene un doble propósito: -

Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante La filtración; y Hacer que se distribuya el agua de lavado, evitando la formación de chorros.

Sistema de drenaje. La función del sistema de drenaje que se coloca en el fondo del filtro es doble: -

Recolectar y extraer uniformemente el agua filtrada Distribuir el agua de lavado con presión uniforme.

Los sistemas de drenaje pueden clasificarse en tres tipos: tuberías perforadas, falsos fondos y placas porosas. Cada tipo de drenaje tiene especificaciones, tamaños y formas diferentes que dependen de las casas matrices, 'en caso de que sean estructuras patentadas, o de los planos de construcción que originan un proceso de cálculo, cuando éstas son dimensionadas por el proyectista. Se presentan en las Fig. 72, Fig. 73,Fig. 74, Fig. 75, algunos de los principales tipos de drenajes.

Niples de PVC

Gráva de soporte

Refuerzo

Mortero ELEMENTO PREFABRICADO

Orificios

Apoyo

Apoyo FALSO FONDO

Fig. 72. Falso fondo con viguetas prefabricadas 217

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Fuente: Elaboración propia

Fig. 73. Tuberías perforadas para trabajo con grava Fuente: Elaboración propia

Fig. 74. Fondo Leopold Fuente: Elaboración propia

m 0m 100

Ø6.4mm

300mm

Ø3.2mm Ø5.6mm

Ø19mm

300

mm

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Fig. 75. Bloque plástico para lavado con aire y agua Fuente: Elaboración propia La Tabla 39, se especifican los tipos de drenes aceptados en el RAS 2000. Tabla 39 Sistemas de drenaje Tipo Tubería perforada

Consiste en Tubo principal y laterales perforados, se emplea con grava, bloques difusores o boquillas insertadas Bloques perforados de arcilla Bloques o canaletas perforadas en acero o plástico para uso con o sin grava Boquillas de cola corta

Falsos fondos Boquillas de cola larga

Prefabricados de concreto para uso con grava

Placas porosas

Placas flexibles reemplazo de grava

para

Se usa con Lavado con solo agua, con o sin lavado superficial para alta o baja velocidad descendente Lavado con solo agua, con o sin lavado superficial para alta velocidad ascendente Lavado con aire primero y agua después o con aire y agua simultáneamente, con alta o baja tasa de lavado. Lavado con solo agua y alta velocidad ascendente con o sin lavado superficial Lavado con aire y agua simultáneamente para baja velocidad ascendente Lavado mutuo con agua de un filtro con el flujo de los otros, para velocidad ascendente. Para el lavado mutuo pueden utilizarse los otros sistemas adecuándolos debidamente Lavado con aire y agua o agua sola según el dren y alta velocidad ascendente

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

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3.3.4 LECCIÓN 44: PARÁMETROS DE DISEÑO Tasa de filtración. La tasa de filtración debe ser cuidadosamente escogida teniendo en cuenta las características del lecho filtrante, las condiciones de operación de la planta y la calidad del agua que se desea producir. No obstante la existencia de recomendaciones de tipo general, se considera que la forma más racional de determinar la tasa de filtración es mediante la experimentación en plantas piloto que trabajen en condiciones similares a las que se requiere que prevalezcan en el proyecto. Sin embargo investigaciones reportan rangos en que pueden estar las tasas de filtración, la Tabla 38 y la Tabla 40, presenta algunos valores de tasas de filtración recomendados (filtration rate). Número de filtros. El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una y de la tasa de filtración, para un determinado caudal de diseño de la planta. Lo más económico seria hacer una sola unidad, pues el número de tabiques, válvulas, etc. seria mínimo. Sin embargo, por razones de operación deben existir varias unidades, de forma que el caudal que filtra una unidad cualquiera pueda ser distribuido entre las demás, en caso de reparación, mantenimiento o limpieza, sin que se llegue a sobrepasar el valor de la máxima tasa de filtración permisible. Por otra parte, considerando la operación de lavado, es preferible tener varias unidades de filtración ya que esto reduce el caudal de agua necesario para producir una determinada expansión del lecho, así, en el caso de utilizarse el sistema de filtros auto lavantes, se requieren por lo menos cuatro unidades para que las tres unidades que permanecen en operación sean capaces de abastecer el caudal de lavado de aquella que está en mantenimiento. Cuando el lavado de los filtros se hace con fuente externa (tanque de lavado), el número mínimo de unidades deben ser tres; y para lavado mutuo el número mínimo de unidades debe ser cuatro. Existen varias fórmulas para calcular el número de filtros, tal como la propuesta por Morril y Wallace:

N  0.044 Q Donde: N = Número de filtros 220

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Q = Caudal total de filtración [m3/d]

Forma y dimensiones de los filtros. Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta son establecidas teniendo en cuenta que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de la planta tratando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra máxima economía de la estructura. El largo y el ancho del área superficial pueden definirse utilizando las siguientes relaciones (27): B N 1  L 2N L 1  3 B

Donde: N = Número de filtros B = Ancho del filtro [m] L = Largo del filtro [m] El área superficial total de filtros se determina mediante la siguiente fórmula:

AT 

Q q

Donde: AT = Área total de filtración [m2) Q = Caudal de la planta [m3/d] q = Velocidad de filtración media [m3/m2.d] Una vez hallada el área total de filtración y definido el número de unidades se puede encontrar el área superficial de cada filtro. Profundidad de las unidades: La profundidad de las unidades está determinada por la altura de la estructura de drenaje, el espesor de la grava de soporte y del lecho filtrante, el nivel máximo de la altura del agua dentro del filtro y el borde libre. Por lo general la altura total de un filtro autolavante está comprendida entre 4,0 y 4,5 m.

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Altura del agua sobre el lecho. La altura del agua sobre el lecho puede ser variable o constante, según el tipo de control que se use pero no puede ser inferior a 0.5 m. El lecho filtrante en ningún momento debe trabajar seco. Pérdida de carga. La hidráulica del filtro debe diseñarse para que como mínimo pueda disponer de 2 m de pérdida de carga durante la carrera de filtración. La sumatoria de los descensos de nivel en un filtro de tasa variable declinante durante la carrera debe ser por lo menos igual a 2.0 m. Hidráulica de la filtración. Durante el proceso de filtración se presentan en el lecho dos tipos de pérdida de carga: una pérdida de carga inicial y una pérdida de carga acumulada debida a su colmatación. La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada. La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada. Algunos valores de pérdida de carga se observan en la Tabla 40. Tabla 40. Criterios generales de diseño filtros PARÁMETRO CRITERIOS GENERALES CARGA SUPERFICIAL tasa de filtración (CS) m3/m2*d

VALOR

Velocidad óptima de lavado

0.8 – 1.2 m/min 13 – 20 mm/s

Tiempo de lavado T1

5 – 15 min

120 - 360

PARA FILTROS LENTOS EN ARENA: Tasa de filtración

2 - 12 2.4 – 7.2 m/d (RAS 200) 222

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Duración de la carrera Profundidad del medio

20 – 60d 0.6 – 1m 0.8 – 1 m(RAS 200)

Profundidad de la grava

0.3 m

Pérdida de carga

< 1.2 m < 1 m (RAS 2000)

CRITERIOS PARA FILTROS RÁPIDOS Tasa de filtración

120 - 480 m/d (RAS 200)

Duración de la carrera Profundidad del medio

12 – 36 h 0.6 – 0.75m 0.4 -0.6m de antracita y 0.15- 0.3 m de arena

Profundidad de la grava

0.3 -0.45 m

Pérdida de carga

2.4 – 3m >2.0 m (RAS 2000) 2 – 6% 1.5 – 2.1 m

Porcentaje de agua de lavado Separación entre canaletas Fuente (Villegas de Brigard, 2008)

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La Fig. 76, muestra el esquema del filtro rápido de tasa declinante autolavante.

Fig. 76. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento sustancial aguas arriba de los filtros Fuente: Elaboración propia

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3.3.5 LECCIÓN 45: EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS Diseñar el sistema de filtración necesario para la Población de San Pedro. La filtración rápida para el agua proveniente del sedimentador se hará a una tasa normal de 235 m3/m2*d. El lavado ascensional debe hacerse a una tasa de 1.4 cm/s durante 15 minutos después de una carrera de filtración de 30 h. Determinar: • • • • • •

Número mínimo de filtros Dimensiones de un filtro Características del medio filtrante Numero y dimensiones de las canaletas de lavado de un filtro Porcentaje de agua requerida para el lavado. Altura del filtro y esquema

DESARROLLO 1. Determinación del número de filtros

2. Dimensiones de un filtro Qu =

3. El área del filtro será:

4. Dimensiones de los filtros Asumimos una Relación L/B = 3

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m

L = B*3 = 2*3 = 6 m 5. Dimensiones de los lechos filtrantes Teniendo en cuenta la Tabla 38, determinamos que el medio filtrante estará compuesto por una capa de 0.60 m de antracita, 0.30 m de arena y 0.4 m de grava. 6. Canaletas de lavado Se asumen 4 canaletas de lavado Nc = 4 Distancia entre canaleta centro a centro

= (L )/(Nc) = 6 /4= 1.5 m OK (rango 1.5 – 2m )

Se diseñaran cuatro canaletas de 2 m de longitud cada una separadas entre si 1.5 m de centro a centro, de modo que las dos canaletas laterales quedaran a 0.75 m de las paredes del filtro.

7. Determinación del caudal del lavado Ql = vl / A = 0.014 m/s * 6m * 2 m = 0.17 m3/s Caudal de una canaleta es: = 0.042 m3/s Asumiendo un ancho de canaleta de 0.3 m, la profundidad de la lámina de agua será: Ho = (0.042m3/s/(1.375*0.3m))2/3= 0.22 m

Por lo tanto asumimos una altura de la canaleta de 0.30 m

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8. El volumen de agua requerido para lavado será: VL = Ql * Tl = 0.17 m3/s * 15 min * 60 s/min = 151 m3

9. Volumen de agua filtrada en 30 horas es: Vf = Qf * Tf = 2592m3/d *30h /24h = 3240 m3 10. El porcentaje de agua filtrada requerida para el lavado es: % = 151 m3 /3240 m3 * 100 = 4.7% (OK el rango debe estar entre 2 – 6%)

El diseño del filtro se presenta en el siguiente plano.

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0,25 0,31

0,3

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2

Canal de entrada

Canal de agua filtrada

0,5

0.21

0,5

GRAVA

0,3

1,4

0,2

0,3

2

Canal de interconexión

0,33

0,05

0,7

0,3 0,4

ARENA

0,6

ANTRACITA

0,6 0,2

0,95

0,3

6,25

Fig. 77 Esquema en corte del filtro

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6

6

6

6

0,15

6

1

0,5

2

Canal de salida

0,75

1,5

1,5

1,5

0,75

0,75

1,5

1,5

1,5

0,75

0,75

1,5

1,5

1,5

0,75

0,75

1,5

1,5

1,5

0,75

0,75

1,5

1,5

1,5

0,75

1,05

0,5

2

0,2

0,3

Canal de entrada

Fig. 78. Vista en planta del sistema de filtración.

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4 BIBLIOGRAFÍA Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua (tercera edición ed.). Bogotá: McGraw Hill. Aurazo de Zumaeta, M. (2004). Aspectos biológicos de la calidad del agua. En L. Canepa de Vargas, Tratamiento de agua para consumo humano. Lima: CEPIS/OPS. Azevedo, N., & Alvarez, a. (1976). Manual de hridráulica. Harla. Barrenechea, A. (2004). Aspectos fisicoquímicos de la calidad del agua. En L. Canepa, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I. (pág. 278). Lima: CEPIS/OPS. Baulacia Berteli, R. (1996). Tecnología avazada de flotación por aire disuelto remplaza y optimisa sistemas tradicionales en tratamiento de efluentes municpales, industriales y obtención de agua potable. Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, (págs. 1 - 4). Mexico: CEPIS. Canepa de Vargas, L. (2004). Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría. Lima: CEPIS/OPS. Cunningham, W., & Cunningham, M. (2012). Environmental science: a global concern. New York: McGrawHill. de Vargas, L., & Barrenechea Martel, A. (2004). Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Desinfección. Lima: CEPIS/OPS. Defensoria del Pueblo. (2005). Diagnóstico sobre la calidad del agua para el consumo humano en Colombia, en el marco del derecho humano al agua. Bogotá: Defensoria del Pueblo. Dominguez, E., Rivera, H. G., Vanegas Sarmiento, R., & Moreno, P. (Junio de 2008). Relaciones demanda - Oferta de agua y el índice de escases de agua como herramientas de evaluación del recurso hídrico Colombiano. Revista Academia colombiana de la ciencia, 33(123), 195 - 212. EDDY, M. &. (1998). Ingenieria de Aguas Residuales. Madrid: McGrawHill. Eddy, M. &. (1998). Ingeniería de Aguas Residuales. Madrid: McGrawHill. Franco, F. L. (01 de 08 de 2012). Acueductos y alcantarillados. Modulo de Clase Virtual. Manizales, Risaralda, Colombia: UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Galal Gorchev, H. (1996). Guias de la OMS para la calidad del agua potable y evaluación de los riesgos para la salud vinculados con los desinfectantes y los SPD. En OPS/ILSI, La calidad del agua potable en América Latina. IDEAM. (2010). Estudio Nacional del agua 2010. Bogotá: IDEAM. Jahn, S. (1979). African Plants Used for the improvement of Drinking Water. Curarae, 2, 183-199. Licecio, R. (2006). SISTEMAS COLOIDALES EN FARMACIA. López Cualla, R. A. (2008). Elementos de diseño para acueductos y alcantarillados. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería. Maldonado Yactayo, V. (2004). Sedimentación. En CEPIS, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de Filtración rápida. manual I. (pág. 278). Lima: CEPIS/OPS.

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