Teoria y Practica de La Purificacion Del H2O - Tomo 2

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Tercera edición

Jorge Arboleda Valencia

Teoría y práctica de la purificación del agua "El agua es esencial para la creación vegetal y animal, ya sea como alimento u otros propósitos, que su importancia probablemente sobrepasa la de cualquiera otra sustancia de la gran variedad que el autor de ia naturaleza nos regaló. La salud, el bienestar y el placer de la humanidad requieren un abastecimiento de agua abundante y, por consiguiente, si la utilidad es un criterio justo de valor debe dársele una atención particular a las invenciones y actividades que tienen por objetivo suministrarla, fácil y generosamente, en un estado limpio y saludable". W Matthews, 1835 En nuestra profesión, a veces nosotros nos vemos favorecidos por alguien que dedica sus esfuerzos a pasar el resto de nosotros, viejos y jóvenes, los beneficios de su experiencia. Pero, con menos frecuencia, nos vemos favorecidos por un profesional que · entrega su vi,d~ a conseguir una comprensión profunda de los factores que influencian muchas de nuestras decisiones y diseños, y que los ha puesto en práctica. Jorge Arboleda ValenCia es uno de esos profesionales. Su libro nos entrega esa prpfundidad de conocimientos q~e pocos de nosotros tenemos la fortuna de poseer. . Yó disfruté por largo tiempo de su primera edición y estoy ansioso de contar con la versión ampliada de la misma. Aprecio el esfuerzo que ha requerido prepararlo y recomiendo su contenido a todos los que desean aprender más acerca de nuestro campo, y particulart:llente, a aquellos que usarán sus enseñanzas para mejorar su des~mpeño profesional. Su trabajo ha afectado profundamente los proyectos de tratamiento del agua en América Latina .Y en e(iñ.undo. Es para mí un gran privilegio respaldar su mensaje. J. Edward Singley Ph. D Presidente de la Asociación Americana de ·' Acueductos y Alcantarilláclo, AWWA Gainesville, Florida Febrero de 1992 ISBN 958-41-0012·2

9 789584 100122

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1 Tercera edición TOM02

JORGE ARBOLEDA VALENCIA Ingeniero civil y sanitario Especialización en ingeniería sanitaria, Universidad de Minnesota y C.I.B., Londres

Revisión técnica ARNUL RENDON SOTO Ingeniero civil y sanitario Especialización Universidad de Sao Paulo

Santa Fe de Bogotá • Buenos Aires • Caracas • Guatemala • Lisboa • Madrid México • Nueva York • Panamá • San Juim • Santiago de Chile • Sáo Paulo Auckland • Hamburgo • Londres • Milán • Montreal • Nueva Pelfíi • París San Francisco • San Luis • Sidney • Singapur • Tokio • Toronto

Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo 2

No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS. Copyright © 2000, por JORGE ARBOLEDA VALENCIA DERECHOS RESERVADOS. Copyright © 2000, por McGRAW-HILL INTERAMERICANA, S.A. Avenida de las Américas 46-41. Santa Fe de Bogotá, D.C., Colombia Editor: Rodrigo Pertuz Molina 1234567890

2134567890

ISBN: 958-41-0014-9. Tomo 2 (ISBN: 958-41-0013-0. Tomo 1) (ISBN: 958-41-0012-2. Obra completa)

Se imprimieron 5.700 ejemplares en el mes de febrero del 2000 Impreso en EDITORIAL NOMOS S. A. Impreso en Colombia-Printed in Colombia

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TE ORlA

lA FllTRACION DEl AGUA

Historia de la Filtración .... .... ... .. ... ... ...... .. .. .. .. ... ... .. ...... ..... ... .... ... .. .. .. .. ..... .. . Mecanismos Responsables de la Filtración.............................................. Transporte de Partículas ............................................................................. Cernido ........................................................................................................ Sedimentación ............................................................................................. Intercepción................................................................................................. Impacto Inercial ........................................................................................... Difusión ... ... .. .. .. .. .. ... .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. ... .... .. .. .. .... .... .. ... .. .. .. .. ... ..... .. .. .. .. .. ... .. .. . Acción Hidrodinámica ................................................................................ Importancia Correlativa de los Mecanismos de Transporte..................... Adherencia ................................................................................................... Fuerzas de Van Der Waals .. .... ... .. ... .. .. .. .. ... .... .. .... .. .. .. ... .... .. .. ... ... .. ... ... .. .. ... .. Fuerzas Electroestáticas ............................................................................. Puente Químico........................................................................................... Mecanismos Responsables de la Filtración Biológica ... .. .. ... .. .... .. .. ... .... . Modelos Matemáticos de la Filtración ................................................... .. Modelo de Mintz y Krishtul ....................................................................... Otros Modelos ............................................................................................ Ecuaciones para Determinar la Pérdida de Carga en el Lecho Filtrante ........................................................................ Análisis Granulométrico de Materiales Granulares .............................. .. . Pérdida de Carga Inicial .............................................................................. Régimen de Flujo ... .. ...... .. .. .. ...... .. .. ... ... ... .. .. ..... .. ... ... .. .. ... ... ...... ... ... .. .. ... .... .. Lechos de granos des uniformes ................................................................. Pérdida de Carga Final ................................................................................. Factores que Influyen en la Filtración .... .. ..... .. ... ... .... .. .. .. .... .... ......... .. .. ..... .. Tipo de Medio de Filtrante .......................................................................... Velocidad de Filtración ................................................................................. Tipo de Suspensión ..................................................................................... 1

3 64 367 36 8 368 368 37 O 37 1 3 71 37 3 37 3 37 5 37 5 37 6 377 37 8 37 9 383 3 84 38 8 3 89

~J9f 3 94 3% 399 401 401 401 402

IV

CONTENIDO

Características Físicas .................................................................................. Características Químicas .............................................................................. Influencia de la Temperatura........................................................................ Dureza de Floc. .. ......... .. ..... ............ ......... .. ... ... .... .. ..... ............... ........... .. .. .... . Acondicionamiento del Floc Afluente .. ...... ........... .. ...... ..... .......... .... ........ .. Teoría del Lavado de Medios Filtrantes Granulares ................................... Fluidificación ................................................................................................ Cálculo de la Pérdida de Carga .................................................................... Expansión del Medio Filtrante..................................................................... Cálculo de la Porosidad................................................................................ Fluidificación Mínima................................................................................... Estratificación de Partículas ........................................................................ Fórmulas Básicas ......................................................................................... Fluidificación de Lechos con Partículas de Distinta Densidad.................. Cálculo de la Expansión .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. ..... .. ... .. .. .. .. ... ..... .. ... .. .. ... ... ... ... .. ... .. .. Mecanismos Responsables de la Limpieza de los Medios Granulares durante el Lavado ....................................................... Expansión y Gradiente de Velocidad Óptimos.......................................... Interpretación de las Ecuaciones de Gradiente de Velocidad .................. Bibliografía..................................................................................................

402 402 405 4()7

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DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION Filtros Químicos ......................................................................................... Filtros Biológicos....................................................................................... Filtros Rápidos Convencionales ... .. .... ... .. .. .. .... ... ... .. ... ... .... .. ... ... .. ... ... .. ...... Medio Filtrante............................................................................................ Arena ................................................................................................ ;........... Antracita....................................................................................................... Otros Materiales para Medios Filtrantes ............................................... ... Grava............................................................................................................. Lechos Mixtos con Material de Diferentes Densidades .... ... .. ...... ... .. ... .. . Características de los Medios Filtrantes .. .. ..... .. ... .. .. ... .. .... ... .... ...... .. ...... ... Diseño de los Lechos Múltiples .... ... .. .. .. .. .. .. .......... .. ... .. .. .... ... .. ... ........ ... .. . Números de los Medios por Usar.............................................................. Tamaño y Peso Específico de los Granos ................................................. Espesor de cada Lecho ............................................................................... Soporte del Lecho Inferior......................................................................... Filtros de Capa Profunda............................................................................ Antecedentes ............................................................................................... Parámetros de Diseño................................................................................. Rata de Filtración o Carga Superficial.......................................................

439 439 441 442 443 444 444 444 446 446 44 7 44 7 44 8 450 451 451 451 453 454

CONTENIDO

Pérdida de Carga .......................................................................................... Presión Negativa.......................................................................................... Profundidad de la Capa de Agua sobre el Filtro ......................................... Lavado del Filtro ... ... .... ....... . .. ... .. ... ...... .... .. ..... .. ... .. ... .. ... .. ...... ... .. .. .... .. .... ..... Modalidades de Lavado de Filtros .. ..... ...... ....... ......... .. .. .. .. ....... .. .. .... .. .. .. .. .. Lavado Ascendente con Agua ..... .. ... .. .. ... .. .... ... ... ... .. ..... .... .. .. .. ... .... .. .. .. .. ... Lavado Auxiliar con Agua .... ..... ...... .. ...... ... .. ... .. .. .... .. .... ... .. .. .. ....... .... .. .. .... .. Lavado Auxiliar con Aire .. .... ...... ... ... .. ....... .. ... .. .. ... ... .. .. .. ..... .. .. .. .... ... .. .. .. .. ... Métodos para Aplicar el Agua de Lavado.................................................. '" Tanque Elevado ........................................................................................... Lavado con Bomba ... .... .. ... .. .. ... .. .... .. .... ... .. .. ..... ... .. ... .. ... .. .. .. .. .. ... .... .. .. .. .. .. ... Lavado con Flujo Proveniente de Otras Unidades ..................................... Lavado Continuo .... ..... .. ... .. ... ... .. ... ..... .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. .. ....... .. ..... .. .. .. .... .. .. ... Sistemas de Recolección del Agua de Lavado .... .. ....... .... ... .. ... .. ...... .... .. .. .. Sistemas de Drenaje .. ...... .. ....... ... ... .. ... .. .. ... ........ .... ..... .. .. ... .... .. .. ... .... .. .... .. ... Tuberías Perforadas para Trabajo con Bloques y Grava ............................ Boquillas Plásticas Patterson Candy .... .. ..... .. .... ... ... ..... ...... ..... .. .... .... .. ... .... . Fondo Weeler .. .. .. .... ... ... .. ... .. .. ... .. ... ... ...... ... .. ... .. ... ... .. .... ... .. .. .. .. ....... ...... .... ... Fondo Leopold. .. .. .. .. ...... .. ... ........ .. ... .. .... ... .... ..... ... .. ... .... ... ...... .. ... .. .... .. .. ..... . Boquillas ...................................................................................................... Fondos Prefabricados ..... ... ... .. ... ... .... ... .. .. .... ...... .. ... .. ... .... .. ...... ... ... .. .. ... ... .... Placas Porosas ............................................................................................. Hidráulica de la Distribución del Agua ................................................... .. .. Plantas Pilotos.............................................................................................. Sistemas de Control de los Filtros ... ... .... .... ... .... .... ... ... ... .. ...... ..... .. ...... ..... ... Rata Constante de Filtración ....................................................................... Control de Entrada - Afluente Igualmente Distribuido .... .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. ...... Control de Salida con Regulador de Caudal .. .. ... .. ... .. .... ..... .. .... ... .. .. .. .... ... .. Control del Gasto ......................................................................................... Control del Nivel .......................................................................................... Rata Declinante ............................................................................................ Rata Declinante Continua ............................................................................ Rata Variable Declinante Escalonada ... .. ... .. .. .... ... ... .. .... ... .. .. .... ..... .... .. ... .. ... Clasificación de los Filtros de Rata Declinante Escalonada ....................... Diseño Racional de un Filtro de Rata Declinante Escalonada................... Pérdidás de Carga ........................................................................................ Pérdidas de Carga Turbulentas .... ... .. .. .. ....... .. .. ... .. ... .. .. .... ... .. ..... .. .... .. .... ... .. Balance de Flujos......................................................................................... Generalización de las Ecuaciones .... .... .. .. .. .. .... ... ... ... .. .. .. .. .. ... .. ... .... ... ... .. .. ... Método de Solución .... ... .... .. ....... .. .. .. .... ... .. .. ..... ... .. .. ... .... .. .. ... .. .. ..... .... .... ... . Comportamiento de los Filtros de Rata Declinante Escalonada .. .. .... .... ..... Aplicación del Modelo a casos Prácticos ................................................ ... Configuración de los Filtros .. ... ... ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. ... ... .. .. .. ..... .. ..... .. .. .. .. .. ... .. ...

V

460 460 462 462 466 467 468 471 471 471 474 474 476 477 480 481 482 483 484 486 486 489 490 492 494 494 495 495 495 497 498 499 501 504 509 509 511 511 512 512 513 517 518

VI

CONTENIDO

Díseño de Filtros Convencionales de Rata Constante ..... .. ..... .. ... .. ... ... .. .. .. Diseño de Filtros de Control Hidráulico y Rata Declinante ....................... Posibilidad del Vaciado de la Caja de los Filtros......................................... Estructuras Demasiado Profundas .............................................................. Estructuras muy Bajas ............................ ,.................................................... Alta Velocidad Inicial de Filtración ......... ...... ............. .... .. ..... .................. ... .. ... Diferentes Modelos de Filtros de Rata Declinante................................. Configuraciones de Entrada........................................................................ Configuraciones de Salida.......................................................................... Modelo de Compuerta Unica ..................................................................... Modelo con Caja de Agua Filtrada .. .. .. .. .... .. .... .. .. ... ..... ... ... .. .. ..... .. ... ... .. .. .... Modelo con Tubería y Válvula de Aislamiento......................................... Otros Sistemas de Filtración ... .. .. .... .. .... .. .. .. .. .. ... .. ... .. .. .. ... .. .. .. ... .. ... ........ ... . Filtración Directa ........................................................................................ Clasificación de la Filtración Directa ... .................................................... Ventajas y Desventajas de la Filtración Directa .... ... .. .... ... .... .. .. ... ... ....... .. . Parámetros Básicos para el Diseño de Sistemas de Filtración Directa.. Configuraciones de Entrada........................................................................ Calidad del Agua Cruda ............................................................................... Tipo de Coagulación y Coagulantes ... .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. ..... .. .. .. .. .. ... .. ... ..... .. .. ... Tiempo e Intensidad de la Agitación ........................................................ .. Volumen del Floc y Carreras de Filtración................................................ Filtros Rápidos de Flujo Ascendente......................................................... Hidráulica de los Filtros de Flujo Ascendente ......................................... Rata Constante y Rata Declinante.............................................................. Especificaciones del Lecho Filtrante........................................................ Filtros de Flujo Ascendente-Clasificación ............................................... Floculación .................................................................................................. Sedimentación............................................................................................. Filtración ..................................................................................................... Ventajas del Filtro de Flujo Ascendente.................................................... Desventajas del Filtro de Flujo Ascendente.............................................. Filtros de Flujo Ascendente-Descendente................................................ Filtros Biflujo .............................................................................................. Filtros Biológicos ....................................................................................... Filtros Rápidos Biológicos ........................................................................ Lavado de Filtros Biológicos ..................................................................... Lecho Filtrante ............................................................................................ Filtros Lentos Biológicos .......................................................................... Filtros Lentos Convencionales .................................................................. Prefiltros ..................................................................................................... Prefiltros en Grava de Flujo Ascendente ..... ... ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. .... .. ... .. ... .. .. .. Filtros Dinámicos .......................................................................................

518 523 524 525 528 528 528 52 8 530 532 53 2 535 53 6 53 6 53 7 53 7 53 8 52 8 53 8 53 9 53 9 540 541 542 543 545 545 545 546 546 546 54 7 549 5 51 5 51 552 554 555 556 557 5 64 5 64 567

CONTENIDO

Prefiltros en Grava de Flujo Horizontal.................................................... Bibliografía..................................................................................................

VII

571 576

1 CONTROL DEL PROCESO

FILTRACION

Precisión de los Instrumentos de Control de la Filtración ... .. .. .... .. .. ... .... Medidor de CauJal de Filtración ............................................................... Medidor de Pérdida de Carga ..................................................................... Oscilaciones de la Pérdida de Carga.......................................................... Control de Lavado....................................................................................... Control de Rata de Lavado .... .. ... .. .... .. .. .. ..... ...... ...... ..... .... .. ..... ....... .. ........ ... Duración del Lavado ................................................................................... Antecedentes ............................................................................................... Expansión del Lecho ................................................................................... Desplazamiento de la Grava........................................................................ Análisis del Medio Filtrante ... .. ... ..... ... .. .. .. .. ... .. ... ... .. .. ....... .. ... .. .... .. ... .... .. ... Granulometría del Lecho Filtrante ............................................................ Bolas de Lodo.............................................................................................. Peso Específico .......................................................................................... Porosidad..................................................................................................... Dureza.......................................................................................................... Solubilidad en Acido Clorhídrico .. .. .. .. ... .. .. .... .... ... .. .. ...... ... .. ... .. .. .... ... .. ..... Eficiencia de los Filtros ............................................................................. Turbidimetría ... .. .. .. ... ... ... .. .. .. ... ... ... ..... ... ... .. .. ... .. ..... ... .. .. ..... .. ... .. ... .. ...... ..... .. Patrones de Turbiedad................................................................................. Instrumentos para la Lectura de la Turbiedad............................................ Fotómetros de Transmitancia - Turbidímetro de Jackson ........................ Turbidímetro Hellige .. ..... .. .. ... .. ... ... .. .. .. ... .. .. .. .. .... .. .. ..... .. .. ... .... ... .. .. ...... .... .. Luz sumergida.............................................................................................. Fotómetros Nefelométricos ...................................................................... Monitores de Turbiedad.............................................................................. Turbiedades Permisibles del Agua Filtrada ............................................... In dices de Dureza de Floc .......................................................................... Evaluación de Partículas ............................................................................. Sistema de Conteo de Partículas ... ............................................................ Monitor de Partículas (índice) .... ..... .. .... .... .... .... .. ... .. .. .... ... .. ... .... ........ ....... Aluminio Residual .. ...... .. .. ... .. ...... .. .. .... ... .. .... .. ... ... ... .... .. .. ... .. ... .. .. ... .. .. .... ..... Estudio Microscópico del Agua ............................................................... .. Filtros Pilotos ... ... .. ... ... .. .. ... .. ... .. ... ... ..... ... ....... .. ..... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... ..... .. ... .. . Columnas de Filtración...............................................................................

58 2 582 58 3 5 84 586 58 6 58 6 586 58 9 5 91 5 94 594 597 59 8 599 600 60 1 601 602 603 603 603 604 605 605 606 607 61 O 611 611 612 613 616 616 617

VIII

CONTENIDO

Sistema de Entrada....................................................................................... Sistema de Control .................................................................................... ... Sistema de Lavado .. ..... ......... .......... .. .. ...... .... ....... .. ... ............... .. .. ... ............ . Sistemas de Medición de Turbiedad .. .......... ... .... .. .. ... ............ ................. .... Piezómetros .... :. ............................................................................................ Filtros Pilotos para el Control del Proceso de Coagulación-Filtración...... Filtros Pilotos para Experimentación .... .. ... .. ... .. .. ....... ... ... .. ..... .. .................. . Plantas Piloto Automáticas de Filtración .......... ..... ........ .............. ...... ..... .... Análisis Bacteriológico .. .. .... ... ... .. ... .... .. ........ ... .... .. .. .......... ..... ........ ........ .. ... Bibliografía...................................................................................................

618 618 621 621 623 624 625 628 628 631

11 TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA Eficiencia Bacteriológica de los Procesos de Clarificación ..... ..... ........ .. ... . Remoción producida por la Coagulación-Floculación y Sedimentación......................................................................................... Remoción producida por la Filtración....................................................... Desinfección del Agua ................................................................................ Bacterias ...................................................................................................... Protozoarios................................................................................................ Virus ............................................................................................................. Tremátodos .................................................................................................. Velocidad con que se realiza la Desinfección........................................... Factores que influyen en la Desinfección .. ... .. .. .. ...... ....... ... .. ..... .. .... .. ... ... . Relación Concentración-Tiempo ... .. ..... ... .. ... ...... ........... .. ..... .. .. ... .. .... .. ... ... Temperatura ................................................................................................. Potencial Hidrógeno pH ............................................................................. Número y Tipo de Organismos................................................................... Modos de Desinfección del Agua.............................................................. Desinfectantes Físicos ................................................... ............................ Rayos Ultravioletas..................................................................................... Calor............................................................................................................. Desinfectantes Químicos ........................................................................... Desinfección con Cloro ..... .. ... .. ... .. .. .. .. ... .. ... ... .. .. ....... ... ... .. ... .. .. .. .... ... ... .. ... Reacciones del Cloro en el Agua............................................................... Reacciones Hidrolíticas ............................................................................. Reacciones de Oxidación-Reducción........................................................ Reacciones del Cloro con el Nitrógeno Amoniacal................................. Reacciones del Cloro con la Materia Orgánica y otros compuestos Químicos ................................................................... El fenómeno del Punto de Quiebre............................................................

633 634 635 636 6 36 636 637 637 639 640 641 641 642 642 642 643 643 643 644 644 64 7 649 653 654 6 56 6 61

CONTENIDO

Eficiencia de la Desinfección con Cloro .. ..... ... .. ............ ... ... ..... ..... ......... .... . Eficiencia de la Cloración en la Destrucción de Bacterias.......................... Eficiencia de la Cloración en la Destrucción de Protozoarios ..... .... .... .. .. .. . Eficiencia de la Cloración en la Destrucción de Virus ................................. Otros Desinfectantes Químicos................................................................... Yodo.............................................................................................................. Bromo........................................................................................................... Plata Ionizada ............................................................................................... Ozono........................................................................................................... Dióxido de Cloro........................................................................................... Comparación de la Actividad Germicida de los Desinfectantes Químicos ................................................................ Recrecimiento de Bacterias en las Tuberías ............................................. Métodos de Aplicaciones del Cloro.......................................................... Estimación de la Dosis de Cloro ............................................................... El Valor CT Concentración-Tiempo........................................................... Bases del Parámetro Ct .............................................................................. El Cloro y los Compuestos Orgánicos .................................................... .. Remoción de los Subproductos Formados................................................ Reducción de la Concentración de Orgánicos antes de Clorar ............... Cambiar el Desinfectante ........................................................................... Interferencia en la Cloración ...................................................................... Turbiedad...................................................................................................... Nemátodos ................................................................................................... Temperatura................................................................................................. Calcio........................................................................................................... Potencial Hidrógeno ..............................................................................._.... Fenoles ......................................................................................................... Bibliografía..................................................................................................

IX

665 666 669 670 671 671 673 674 674 676 677 678 678 68O 681 682 6 87 688 689 689 691 691 691 691 691 691 691 694

1 DISEÑO DE ESTACIONES

CLORACION

Capacidad de las Estaciones de Cloración ................................................ Punto de Aplicación del Cloro ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Almacenamiento y Transporte del Cloro Gaseoso .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. . Medidas de Seguridad en el Manejo y Transporte ......... ..... ........... ........... Evaporadores ... .. .. .. ... .. ... ... .. ... .. ... .... .. ... .. .. .. .. .. ... .. .. .. ... ... .. .. .... .. .. ... .. .. .. ..... .. ... Sistema de Medición y Control ...... .... .. .. .. .. .... ..... ....... .... ....... ............ ... ..... Cloradores de Alimentación Directa a Presión .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. ... . Cloradores de Alimentación al Vacío .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. Sistema de Inyección .. ... ... .. ... ... ... ... ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. ... .. .. .. .... .. ..... ..... .. .... .......

698 7 00 7 O1 7 04 7 04 7 07 7 O8 7 O8 71 O

X

CONTENIDO

Abastecimiento de Agua ..... .. .. .. .... .. .... ... .. .... .... .. ... .. ...... .. .. .... ... .. .. ... ... .. .. ... .. Difusión y Mezcla Rápida .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Equipos de Protección................................................................................ Sistemas de Alarma ... .. .. ... .. .. .. ... .. ... ... ... .. .... ...... ...... ..... ..... .. .... .. .. ..... ... .. ... .. .. Máscaras ..... .. .. ... ...... .. .. .. ... .. .. .. ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... .. .. .. .. .... .. ... .. ... .... .. ... ... .. ... .. Equipo para Taponamiento de Fugas .... ...... ...... ...... .... .... .. .. .. ............ ...... .. .. Botellas de Amoniaco................................................................................. Toxicidad del Cloro .. .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. .. .. ... ... ... ... .. .... .. .... .. .. .. ... ... ... .. .. .... ... ... .. .. Análisis de Cloro Residual .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Analizador Automático de Cloro Residual .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Sistemas de Operación de los Cloradores ................................................. Consideraciones Prácticas sobre el Diseño de Salas de Cloración ........ Dosis Optima ............................................................................................... Cálculo de Consumo Diario....................................................................... Almacenaje y Transporte ............................................................................ Area de Cloración y Ubicación.................................................................. Emergencias ................................................................................................ Puntos de Aplicación del Cloro................................................................. Método de Operación .. ... .. .. .. .. .. .. ... .... .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. ... .. .. .. ... .. .. ... .. .. .. .. .... Plomería ............................................................................. ,........................ Diagramas de Flujo...................................................................................... Bibliografía..................................................................................................

7 12 713 715 715 715 718 718 718 7 18 7 19 721 7 24 725 725 726 726 728 729 7'3 1 731 733 733

1 EJEMPLO DE DISEÑO UNA PLANTA DE POTABILIZACION DE AGUA Concepción del proyecto ........................................................................... Cálculos hidráulicos ... .. ....... ... ... .. ... .. ... .. ... ... ..... ..... ... .. .. .... .. ... .. .. ... ... .. .. .. ..... Admisión y Mezcla Rápida .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Canaleta Parshall ... ... ... ... .. .... .. .. .. .. ...... ... .... ... ..... .. ... ... .. .. ...... ... .. ... .. .. .. ... ... ... . Alturas de Lámina Líquida (Sección Convergente) ............ ...... .. .............. Pérdida de Carga.......................................................................................... Cámara de Distribución de Agua Mezclada .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Vertederos de Salida ...................................... ;............................................. Floculación .. .. .. ... .. .. ... .. .. .... .. .. .... .. .... .. .. ..... ... .... .... .... .... ... ... .. ... .. .. ... ... .. .. .... ... Cámaras de Floculación .... .... .. .......... .......... .... ...... .............. .......... ........ .... .. Variación del Gradiente de Velocidad ........ .......................... ........ ........ .... .. Sedimentación ............................................................................................. Tipo de Unidades ......................................................................................... Dimensionamiento de Tanques .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Sistema de Admisión de Agua Floculada ...................................................

734 739 739 739 739 739 7 40 740 7 40 7 40 7 40 7 42 7 42 74 2 7 43

CONTENIDO

Orificios de Distribución ........................................................................... Dueto de Distribución ... ... .... .... ....... ... .. .. .... ... .. ... .. ... .... ...... ... .. .. .... ... ... ... .. .. . Sistema de Recolección y Descarga de Lodos ......................................... Manifolds ..................................................................................................... Hidráulica del Desagüe ............................................................................... Sistema de Recolección de Agua Sedimentada .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Tubos de Recolección................................................................................. Orificios de Recolección .. ...... .. .... .. .. .. .. .. ............ ...... .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .... ... Filtración ..................................................................................................... • Dimensionamiento de las Cámaras de Filtración ..................................... Conexiones Inmediatas de Cada Filtro .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Admisión .. ... .. ... .. .. .. ... .. .... .. .. .. ... .. ... ... ... .. .... .. ..... .. ... .. ... .. .... .. .. .. ..... .. .. .. .. .. .... ... Desagüe ... ... ... .. ... .. .. .. .. .... .. ... .. ... .. ... ....... .. ... .. .. .. .. ... ... .. .. .. .. .... ... .. .. ... ...... .... .. .. . Conexión entre Canal de Interconexión y Filtros..................................... Drenaje de Filtros ....................................................................................... Dueto de Distribución de Agua de Lavado ................................................ Lechos Granulares .. .. ... .. ... .. ... .. ... ... ... .. .... .. .. .. .. ... .. ....... .. .. .. ... .. .. .. .. ... ... ... .. ... . Lecho de Grava............................................................................................ Lecho de Arena .. .. .. .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. .... ...... .... .. .. .... .. .. .. .. ... .... .. .. ... ... ... ....... .... Lecho de Antracita .. .. ... ... ... .. ... .... ... ... .. .. .. .. .. ... .... .. .... .. .... ... ... .. .. .. .. ... .... .. .. ... . Hidráulica del Lavado ................................................................................. Pérdida en Sistema de Comunicación entre Canal de Interconexión y Filtro ... ... .. .. ...... .... ... ... .. ... .. .. ... ... .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. ..... .. . Pérdida por Entrada al Dueto de Distribución .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Pérdida de Carga en Orificios de Distribución .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Pérdida de Carga en el Fondo "Leopold" .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Pérdida de Carga en la Grava .. .. .. .... .. .. .. .... .... .. .. .... .. .. .. .. .. .... ........................ Pérdida de Carga en Lechos Filtrantes .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Lámina de Agua sobre el Vertedero de Lavado ........ .............. .... ............ ... Resumen de Pérdidas de Carga durante el Lavado para Velocidades Ascensionales Máxima y Mínima .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Vertedero de Control del Lavado ........................ ...... ........................ .... .. ... Hidráulica de la Filtración .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Datos de Entrada.......................................................................................... Expresión de Pérdidas Cuadráticas .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Resultados de las Corridas de Computador Variando HL ......................... Resultados Programa de Simulación a Tasa Declinante .. .. .. ........ ............. Resultado de Corridas de Computador para Optimizar el Diámetro de Entrada .. .. .. .... .... .. ... ... .. .. .. .. .. .. .. .. ... ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .... ..... .. . Altura de la Cámara del Filtro .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Canal de Lavado de Filtros .. .... .. .... .. .................. .... .... .............. ........ ........ .... Canal de Desagüe de Filtros .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Canal General de Desagüe .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .

XI

7 43 7 44 7 45 7 45 7 45 74 7 74 7 747 7 48 7 48 74 8 74 8 749 7 49 7 49 7 49 7 5O 750 7 5O 7 5O 7 50 7 5O 75 1 75 1 75 1 7 52 7 52 7 52 7 52 7 53 7 53 7 53 7 54 7 54 7 56 757 757 758 758 759

XII

CONTENIDO

Vertederos de Rebose .... .... .. ... .. .. ....... .............. ..... ............... ... .. ... ... ... ...... .. .. Tanque de Agua Filtrada .. ... .. .. ....... ............ .. ......... ... ... .. ......... .... .......... ... .... Cámara de Contacto de Cloro .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Cámara de Reacción de Cal.......................................................................... Salida de la Planta .. .. .. .. .. .. .. ... ... .... .. .. ..... ... .... .. ..... .. ... .......... .......... .... .. ......... .

7ffJ 7ffJ 7ffJ 761 762

Apéndices ..... ... .. .. .. .. .. ... .... ... .. .... .. ......... ... ... .... ....... ...... .. ... ...... .... .. ... ... .. .... ...

7 71

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

111

1

111

1

363

"

El objetivo básico de la filtración es separar las partículas y microorganismos objetables, que no han quedado retenidos en los procesos de coagulación y sedimentación. En consecuencia el trabajo que los filtros desempeñan, depende - directamente de la mayor o menor eficiencia de los procesos preparatorios. La filtración puede efectuarse en muchas formas: Con baja carga superficial (filtros lentos) o con alta carga superficial (filtros rápidos), en medios porosos (pastas arcillosas, papel de filtro) o en medios granulares (arena, antracita, granate o combinados), con flujo ascendente de abajo hacia arriba o descendente 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 VIII-1 presenta una clasificación de los filtros basada en estas ideas. La filtración se identifica por la velocidad de pasaje del agua a través del manto filtrante o del manto poroso, medida como rata o carga superficial, qF, o sea el cociente entre el caudal, Q , y el área filtrante A F : (VIII-1)

En donde, A = Area superficial Q = Caudal que entra al filtro Obsérvese que si desarrollamos la expresión (VIII-1) se obtiene (ver figura . VIII-1) que la rata qp es justamente la velocidad de filtración vp. La palabra rata (del latín: rata, ratione) fue aceptada por el diccionario de la Real Academia Española (Anexo 1970) con el sentido de parte proporcional, variación en el tiempo.

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

364

Q

MANTO FILTRANTE

AF

Area su pe rficial

Q

Caudal

V

Volumen del manto

h

Fig. VIII.l

La expresión general VIII-2 es válida para cualquier sistema coherente de unidades. La tasa o rata de filtración, qp, sin embargo, se mide normalmente en m31m21d, por su similitud con tasa o rata de sedimentación. Por otra parte la velocidad de filtración v F , suele indicarse normalmente en m/hora o cm/s. Tradicionalmente en las plantas de tratamiento municipales se han utilizado filtros de arena con flujo descendente por gravedad. Tabla VIII.l. Clasificación de los filtros

Según la velocidad de filtración Rápidos 120-360 m3/m2 /día

Según el medio filtrante usado

Según el sentido del flujo

Según la carga sobre el lecho

l. Arena (h=60-75 cm)

Ascendentes

Por gravedad

2. Antracita (h=60-75 cm)

Descendentes

Por presión

3. Mixtos: Antracita (35-50 cm) Arena (20-35 cm)

Lentos 7-14 m3/m2/día

4. Mixtos: Arena, Antracita, Granate

Flujo Mixto

Arena (h=60-100 cm)

Descendente Ascendente Horizontal

Por gravedad

El sentido del flujo de los filtros ha permanecido descendente especialmente en Norteamérica, pero existen plantas en Europa y Rusia con filtros de flujo ascendente o mixtos cuyo mérito discutiremos posteriormente. En Latinoamérica también se han usado dichos filtros.

HISTORIA DE LA FILTRACION Los primeros filtros tuvieron carácter doméstico. Entre nosotros se usaron por mucho tiempo los filtros de piedras porosas colocadas en tinajeros. En Francia,

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

365

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 constituídos por un cono truncado de hierro fundido con tapa semiesférica, en el cual había O. 70 m de lecho filtrante compuesto de 0.25 m 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 0.20 m de espesor. El objeto de estos filtros era colar los sedimentos d~l agua. 11

•

Fue en Inglaterra (Paisley, Escocia) en 1804, donde por primera vez se pensó en hacer una instalación de filtros para toda una población. Más tarde en 1829, en Londres (Chelsea) se construyó la primera planta de filtros lentos de arena hecha por IIThe Chelsea Water Work Co. A medida que la demanda de agua filtrada aumentaba, se fue estudiando más a fondo el trabajo de los filtros y se halló que ellos no sólo hacían un proceso de cribado sino que también transformaban la materia orgánica. Se formaron dos escuelas: Los que creían en la filtración de arriba hacia abajo (descendente) y los que creían en la filtración de abajo hacia arriba (ascendente). Los primeros alegaban que al filtrar hacia abajo, la mayoría de la materia suspendida quedaba retenida en las primeras capas del lecho, lo que facilitaba la limpieza del filtro, pues bastaba raspar esas. capas (procedimiento que todavía se usa en los filtros lentos). Los segundos decían que al filtrar hacia arriba a través de material cada vez más fino, la gravedad producía el asentamiento de la mayoría de las partículas en el fondo del filtro, y las restantes que alcanzaran a subir, podrían ser fácilmente lavadas invirtiendo el sentido del flujo. Lentamente se impuso la primera escuela (filtración descendente) y el uso de los filtros lentos de arena se popularizó tanto en Europa como en América. Con el advenimiento de la microbiología, nacida a mediados del siglo XIX (L. Pasteur, 1822-1895), se le fue dando cada vez mayor importancia al aspecto bacteriológico de la filtración y a fines de dicho siglo muchas ciudades tanto del viejo como del nuevo mundo habían construído plantas de filtración. 11

•

El mejor conocimiento del proceso condujo al diseño de los filtros rápidos que aparecieron en Norteamérica a mediados del siglo pasado bajo patente. Se les llamó filtros "mecánicos" o "americanos", en contraposición a los "filtros ingleses" que eran lentos. La gran innovación de los filtros rápidos fue en la limpieza del lecho filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo que era un sistema largo y costoso, se hacía invirtiendo el sentido del flujo, que en el proceso de filtrado era de arriba hacia abajo y en el de 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 el uso de cargas superficiales considerablemente mayores (aproximadamente 30 veces más) que la de los filtros lentos. El primer filtro "mecánico" o rápido lo construyó en l9s Estados Unidos, en la ciudad de Somerville en 1855, l. Smith Hyatt (1835-1885),-quíenhabía obtenido patente el año anterior para un sistema de "coagulación-filtración". Hyatt no usaba todavía el sulfato de aluminio sino coagulantes férricos, los cuales inye.ctaba antes de que el flujo entrara al filtro, para formar una capa de material coagulado en la superficie del mismo. Este sistema pasó a Bélgica, Alemania y Francia y pronto surgieron varias compañías que obtuvieron patente para sus respectivos diseños. El mayor inconveniente que tenían era que, por falta de un sistema de sedimentación adecuado, los filtros se tapaban con demasiada frecuencia cuando· la turbiedad afluente era muy alta, lo que obligaba a gastar agua en el lavado.

366

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

En Holanda en 1880, B. Salbach, ingeniero alemán de Dresde, construyó un sistema de sedimentadores con coagulación de sulfato de aluminio como pretratamiento para un sistema de filtros lentos que existían en la población de Groningen. En la planta de tratamiento de Lousville (1898) y Little Fall (Estados Unidos) más tarde, se introdujeron sistemas de mezcla, coagulación y sedimentación en tanques separados a fin de remover la mayoría de las partículas sedimentables antes de que llegaran a los filtros. Esta última planta tenía una capacidad de 0.34 mgd (18 1/s) y su funcionamiento fue mucho más eficiente. Sus lineamientos generales coinciden con diseños aceptados hasta el presente. Fue así como, a partir de los filtros como proceso único de tratamiento, se fueron creando las plantas de potabilización modernas en las que todos los tratamientos son preparatorios o complementarios de la filtración. En los últimos sesenta años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente y siguen desarrollándose y lográndose mayores eficiencias con base en un mejoramiento de los mantos y una optimización de los procesos de operación, pero sin que se le hayan hecho modificaciones sustanciales al proceso inicial. Lentamente se han ido produciendo modificaciones, cuyo objetivo ha sido en principio: a) aumentar la rata de flujo; b) mejorar la turbiedad efluente; e) facilitar el control de los filtros; d) optimizar la limpieza del medio filtrante; e) una combinación de los anteriores objetivos. De los filtros rápidos que trabajaban con lo que se llamó la rata normal de 120 m-'lm2/d, y que tenían una profundidad de alrededor de 0.60 o 0.75 m que prevaleció durante toda la primera mitad del siglo, se pasó en la década de 1960 a los medios mezclados de arena y antracita; o granate, arena y antracita, que podía filtrar con velocidades dos y tres veces más altas, con un lecho de 0.60 a 0.75 de profundidad, produciendo carreras mayores de 24 horas y turbiedad menor de 1.0 UNT. En la década de 1970, por último, se empezaron a diseminar los filtros llamados de capa profunda introducidos por fabricantes europeos. Sin embargo la expresión: filtración de capa profunda o en profundidad, ha venido apareciendo indistintamente en la literatura técnica desde hace más de 20 años. Comúnmente a esta expresión se le ha dado el significado de filtración, en la que las partículas penetran profundamente dentro del lecho granular y se distribuyen en gran parte de su masa, en lugar de quedar retenidas sólo en la capa superficial. En el presente trabajo se distingue entre filtración en profundidad, descrita en el párrafo anterior, y el término filtración de capa profunda o en medios profundos, que se entiende como la que se realiza en medios porosos de altura mayor de 1.0 m, diámetro del medio filtrante mayor de 1.0 mm y velocidad de filtración mayor de 300 m-'lm2/d. Esta puede parecer una definición arbitraria, pero tiene por objeto puntualizar la importancia que tiene la intenelación del diámetro, la profundidad y la velocidad en la penetración de las partículas dentro del lecho y, por tanto, en la longitud de las caneras de filtración, la maduración del lecho y la productividad volumétrica, definida como el volumen de m 3 producidos durante la carrera por cada m 3 de lecho filtrante. En otras palabras, lo que se busca con los medios profundos es incrementar su tamaño para que elfloc penetre bastante adentro de los granos del filtro, compensando la mayor penetración con la mayor altura del lecho y estimulando el transporte de material a las capas inferiores por medio del incremento de la velocidad. La interdependencia de estos tres parámetros (tamaño d, profundidad l, y velocidad v) hace que su manejo, en la práctica, sea difícil, pues al variar uno, hay que variar los otros, dentro de ciertos rangos, sin salirse de límites precisos, fuera de los cuales se anula la efectividad del proceso.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

367

MECANISMOS RESPONSABLES DE LA FILTRACION La remoción de partículas muchísimo más pequeñas que los poros del medio filtrante descartó la idea primitiva de que la filtración se realizaba por el simple efecto físico de cernido. En efecto, el agua, ya sea sedimentada o no, que entra a un filtro contiene una variedad muy grande de partículas en suspensión. Su tamaño puede variar desde flóculos relativamente grandes de 1 mm de diámetro hasta coloides, bacterias y virus con tamaños inferiores a l0-3 mm (l¡..t). Dentro de esta gama, se pueden encontrar partículas electropositivas, electronegativas y neutras, o microflóculos con polímeros adsorbidos. Todo este conjunto queda en mayor o menor proporción retenido en el lecho filtrante, preferentemente adherido a la superficie de sus granos formando una película alrededor de ellos, cuya resistencia al esfuerzo cortante producido por la fuerza de arrastre del flujo es función de la magnitud de las fuerzas que mantienen pegadas las partículas a cada elemento del medio granular. Si estas fuerzas son débiles, el floc será anastrado por el flujo y penetrará cada vez más hondo, hasta que eventualmente aparecerá en el efluente. Si son, en cambio, fuertes, el floc quedará obstaculizando temporalmente el paso del agua. Evidentemente los mecanismos que transportan la materia en suspensión dentro del lecho filtrante y lo adhieren con mayor o menor eficiencia a él tienen que ser distintos según sea el tamaño de las partículas, su densidad y las características electroquímicas que posea. El floc grande, cuyo volumen es mayor que el de los poros del medio granular, queda retenido por simple cernido en los intersticios del lecho; en cambio, el material finamente dividido cuyo orden de magnitud es varias veces menor que el de los poros (las bacterias son hasta 100 veces menores que ellos) queda removido debido a una variedad de fenómenos, que describiremos luego y que pueden actuar separada o simultáneamente y tener mayor o menor importancia, según el tipo de suspensión y lecho filtrante de que se trate. Las partículas de menor diámetro que los poros del medio filtrante, entran libremente en el material granular, y tienen que atravesar una distancia relativamente grande antes de poderse adherir a los granos que forman dichos poros. El proceso de filtración por tanto se puede considerar que ocurre en dos etapas distintas pero complementarias, como lo sugieren O'Melia y Stumm (1967): l. La de transporte de las partículas dentro de los poros. 2. La de adherencia a los granos del medio. E 1 transporte de partículas es debido a fenómenos físicos e hidráulicos, influenciados por los factores que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia es debida a fenómenos de acción superficial que son influenciados por parámetros físicos y químicos. Los mecanismos que pueden realizar el transporte son: a. Cernido. b. Sedimentación. c. Intercepción. d. Difusión. e. Impacto inercial. f. Acción hidrodinámica. Los que pueden realizar la adherencia son: a. Fuerzas de Van der Waals.

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b. Fuerzas electroquímicas. c. Puente químico. Cuál de ellos sea 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 que uno o varios de ellos pueden hacer para retener el material suspendido, es quizás despreciable. Pero hay que tener en cuenta que dada la complejidad del fenómeno, más de un mecanismo deberá entrar en acción para transportar y adherir los diferentes tamaños de partículas al medio granular.

1. Transporte de partículas Los distintos mecanismos de transporte de las partículas dentro de los poros del medio filtrante están esquematizados en la figura VIII-2. 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 se trata de la filtración que se produce en las capas superficiales, que si se trata de filtración que se produce en profundidad en el seno del manto. En el primer caso la acción física de cernido es el factor dominante, mientras que en el segundo caso es el de menor importancia.

a. Cernido Es evidente que cuando la partícula es de tamaño mayor que los poros del lecho filtrante, puede quedar atrapado en los intersticios, cuyo tamaño suele variar entre 0.1 y 0.2 mm para granos de 0.5 mm, y entre 0.3 y 0.6 mm para los de 1.2 mm, dado que el floc grande puede tener de 0.5 a 2.0 mm de diámetro. El cernido en general actúa sólo 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. Con base en consideraciones geométricas, Hall considera que la probabilidad de remoción de una partícula por cernido, Pr, es directamente proporcional a su diámetro "d" e inversamente proporcional al diámetro del medio filtrante "De" elevado a los 3/2, así: P r =d[ De

]X

(VIII- 3)

Hay que tener en cuenta que el mecanismo de cernido es independiente de las características del floc afluente.

b. Sedimentación Ya en 1904, Hazen había sugerido que la remoción de partículas menores que el tamaño de los poros, podía deberse a la sedimentación de ellas en la superficie de los granos.

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TAMAÑO GRANO (500 p) TAMAÑO PORO )1 00-20011 ~ Tamaño Micro-flóculo ~ Tamaño esferoidal

+

Partícula Sílice

•

Tamaño Bacteria

(3011) (20 11)

(1 =211)

Fig. VIII.2. Diferentes mecanismos que producen transporte de las partículas hasta los granos de un medio filtrante

En realidad esta superfice es muy grande, Hazen indicó que 1 m3 de arena seca de 0.35 mm de diámetro, puede tener un área superficial de 8,000 m2 • Como no toda esta área está en condiciones de recibir sedimentos, ya que una parte de ella no es útil por estar los granos en contacto unos con otros y otra parte por estar en puntos donde la velocidad del flujo es muy alta, la superficie aprovechable para la sedimentación se ha estimado que puede ser solamente un 5.56% de la total, o sea unos 444 m2 por m3 • Aun aceptando un gran margen de error en estas cifras, es indudable que el medio filtrante ofrece una enorme área, donde los sólidos suspendidos pueden quedar depositados por sedimentación. Varios autores, entre ellos Fair y Geyer (1956) y Stanley (1955), han desarrollado esta teoría y hallado relaciones entre la velocidad del flujo, la densidad y el tamaño de las partículas removidas. Sin embargo, este mecamismo no explica por qué el filtro remueve el floc con un peso específico muy cercano al del agua, o partículas de tamaño coloidal como bacterias o virus cuya velocidad de. sedimentación es del orden de milímetros por día, ni por qué la materia que ha sedimentado no es arrastrada de nuevo por el flujo, en especial teniendo en cuenta el aumento de velocidad en los intersticios.

370

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

. La sedimentación sólo puede producirse, por eso, con material suspendido relatiVamente grande y denso cuya velocidad de asentamiento sea alta, y en zonas del lecho donde la carga hidráulica sea baja. Ives (1965), sugiere que algunas partículas más pequeñas y floculentas pueden que?ar retenidas en regiones donde la velocidad de escurrimiento sea pequeña deb1do a la distribución parabólica de velocidades en el régimen laminar. c. Intercepción .camp (1964), trabajando con un modelo de filtro construido por una caja de luclta transparente, dentro de la cual se habían dejado gránulos cilíndricos de 1 mm de diámetro, llegó a la conclusión de que "la remoción del floc dentro del lecho es llevada a cabo primeramente por contacto de las partículas de floc con la superficie de los granos o con floc ya depositado o adherido a ellos". . .La figura VIII-3 esquematiza esta idea. Si suponemos que las partículas (A) VIaJan con las líneas de flujo, lo cual es cierto para bajas velocidades, resulta claro que al producirse el estrechamiento de dichas líneas en la constricción (B) éstas se yen forzadas a ponerse en contacto entre sí y con el medio filtrante, quedando mterceptadas por éste.

GRANO

GRANO

DEL LECHO

DEL LECHO

Fig. VHI.3. Contacto casual de las partículas con el medio filtrante

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El proceso progresa en una serie de pasos: l. Inicialmente el floc empieza a pegarse a la carga superior del grano, y a medida que mayor cantidad de materia se le adhiere va siendo recubierta con una película, inclusive hasta la cara inferior. 2. Esta película va creciendo con el tiempo, con lo que la velocidad del flujo intersticial aumenta al disminuir el tamaño de las constricciones, de modo que un menor número de partículas puede adherirse a lo granos superiores y tiene que penetrar hasta las capas inferiores. 3. Al continuar la filtración, aparecen segmentos que cuelgan de los granos, los cuales eventualmente se rompen y son retenidos más abajo por otros granos menos recubiertos. 4. Este proceso de arrastre de la película se hace cada vez mayor a medida que su espesor crece, con lo que la colmatación del medio filtrantre progresa en profundidad. 5. Existe una marcada diferencia en la capacidad de adhesión de las partículas de floc. Las partículas débiles son arrastradas y reemplazadas por otras más fuertes. Sin embargo, "casi cada solución preparada, conlcuye Stein ( 1940), tiene sus características peculiares. Pequeñas diferencias en el pH final, a menudo afectan la capacidad de adhesión y la resistencia de la película del floc al esfuerzo cortante". Debe por tanto considerarse la existencia de otro tipo de fuerzas, que retengan la partícula adherida al medio granular como se verá más adelante. Según O'Melia y Stumm (1967) y tal como indicó Ives (1961), la eficiencia del filtro debida a la intercepción, es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de la partícula "dp" e inversamente proporcional al diámetro "De" del grano.

d. Impacto Inercial Cuando la velocidad del flujo es baja, la partícula viaja como se supone anteriormente con las líneas de flujo. En cambio, cuando la velocidad es alta y la partícula es grande, deben tenerse en cuenta los efectos de la inercia, los cuales hacen que aquella pueda seguir una trayectoria distinta a la de las líneas de flujo si adquiere suficiente cantidad de movimiento para eso. Esto implica que al pasar una suspensión alrededor de un obstáculo (véase la figura VIII-4), mientras las líneas de flujo se curvan, las partículas pueden continuar su trayectoria original, impulsadas por las fuerzas de inercia, y chocar con el grano del filtro quedando adheddas a él. Este es el principio con el cual trabajan los filtros de aire. Su eficiencia es directamente proporcional a la velocidad del flujo e inversamente proporcional al diámetro del medio filtrante. En el caso de la filtración de suspensiones acuosas, el fenómeno ha sido analizado en profundidad por Ives y Herzig y colaboradores. Sin embargo, la viscosidad del fluido hace difícil que la materia suspendida pueda adquirir suficiente cantidad de movimiento, como para que el impacto inercial sea de significación. e. Difusión Como habíamos visto en el capítulo 2, debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas a difundirse desde las áreas de mayor

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LINEA DE FLUJO ----------------------- TRAYECTORIA DE LA PART!CULA

A

B

Fig. VIII.4. Impacto inercial

concentración a las áreas de menor concentración. Hay que tener en cuenta que la mayoría de las partículas que llegan al filtro, son menores de 10 (véase la figura VIII-5). Experimentalmente se ha demostrado que las suspensiones de arcillas presentan fenómenos de difusión. Esta es la razón por la cual se pueden encontrar sólidos adheridos a los granos del medio, en puntos donde la velocidad del flujo es prác4

....-

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Fig. VIII.9. Esquema explicativo de la acción de los polímeros en un medio granular

Las partículas con sus segmentos poliméricos adheridos, al atravesar las constricciones del medio filtrante, se enlazan con los segmentos sueltos adsorbidos por los granos o por los de partículas ya adheridas al lecho filtrante y quedan en esta forma retenidas. Las leyes que gobiernan la adsorción de polímeros deben tenerse en cuenta también en este caso.

378

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

Mecanismos responsables de la filtración biológica En la filtración biológica (esto es la filtración en la que los microorganismos que crecen en el lecho son los agentes purificadores), además de las acciones anteriormente reseñadas, se producen una serie de reacciones orgánicas que completan el tratamiento, eliminando bacterias patógenas y protozoarios de importancia sanitaria. Filtración biológica se produce cuando no se usan substancias desinfectantes en el agua de lavado. Esto se debe a que la carga biológica que trae el agua cruda se introduce entre las partículas del medio filtrante, lo cual permite el crecimiento de una capa biológica (schmutzdecke) en los primeros centímetros del filtro, (y en menor escala más adentro) que crece con el tiempo. Dicha capa se halla compuesto de plankton en general, y específicamente de diversas formas de vida acuática tales como: diatomaceas, protozoos, rotíferas y bacterias, así como de una variedad de algas, en especial, cuando los filtros están descl!biertos, como ocurre en países que no tienen temperaturas muy bajas durante los inviernos. Adicionalmente, el agua cruda trae, por lo común, partículas orgánicas de distinto origen, las cuales sirven de alimento a la vida acuática, que transforma esa materia al usarla como energía para su metabolismo. Se producen así una serie de reacciones de oxidación-reducción en el interior del lecho, que desgregan esta materia y la convierten en compuestos tales como agua, dióxido de carbono, nitratos (a partir de los nitritos) sulfatos y fosfatos que son descargados con el efluente. Según Hendricks (1991) el agua cruda puede contener las siguientes partículas: minerales: arcillas (0.001-1.0 ~m) silicatos, no silíceas; b~ológicas: virus (0.01-1.0 ~m), Bacterias (0.3-10 ~m), Giardias (10 ~m), Algas (30-50 ~m), huevos de parásitos (10-50 ~m), huevos de nematodos (10 ~m), Criptosporidion (4-5 ~m); además de material amorfo y coloides orgánicos. Por otra parte, los fenómenos de adsorción sobre la superficie de los granos revestidos de la capa biológica, inducen la remoción o inactivación de bacterias, incluídas las patógenas, las cuales no encuentran un medio favorable en ella, ya que la temperatura del agua es más baja que la del organismo humano y la cantidad de comida disponible, es limitada. A eso se agrega que en la superficie del medio filtrante, proliferan muchos tipos de organismos predatorios que se alimentan de bacterias, y en las capas más profundas, las reacciones de oxidación-reducción de que se habló antes, agotan las reservas de comida. En estas condiciones, los E-Coli, las Salmonellas, Shiguellas y demás organismos perjudiciales para la salud, resultan eliminados en el proceso de filtración, conjuntamente con la turbiedad, el hierro y en algunos casos, el color. El grado de remoción tiene relación directa con la maduración de la capa biológica, esto es, con el tiempo en que haya estado en servicio el filtro, a fín de que se pueda desarrollar en él de manera eficiente la actividad microbiana. Este período puede variar entre un día o menos y una semana, o más. Debe tenerse en cuenta que la rata de crecimiento de la biomasa que se forma entre los granos, es función del flujo de substrato que le llega y su rata de utilización. Al incrementar éste, aumenta la acumulación de biomasa y por tanto la capacidad de remover más substrato. Cuando la cantidad de substrato que le llega es baja, la habilidad del filtro para mantener o incrementar la biomasa disminuye y con ello la eficiencia del mismo para retener el substrato (Rittman, 1990). De aquí que la escasez de material orgánico en el agua cruda perjudica el funcionamiento de la filtración biológica.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

379

MODELOS MATEMATICOS DE LA FILTRACION No obstante todos los esfuerzos, no se ha podido llegar a encontrar un modelo matemático que describa con precisión el comportamiento de los filtros. No existe, hasta ahora, ninguna fórmula o conjunto de fórmulas con las cuales, asumidos determinados valores, se pueda calcular los diferentes parámetros que inciden en el funcionamiento de un filtro. Dice al respecto Mintz: "Parece que el intento de llegar a una descripción matemática exacta, con constantes teóricas del proceso de filtración, está condenado al fracaso. Obviamente siempre será necesario obtener los parámetros del proceso, experimentalmente". Es pues conveniente adelantar estudios prácticos con filtros pilotos, cuando se quiera conocer el comportamiento de un determinado filtro, operando con una cierta suspensión, ya que cualquier alteración en la calidad de ésta o del medio granular, significará un cambio del problema. Sin embargo, los modelos matemáticos resultan útiles para la mejor comprensión del proceso de filtración, pues permite cuantificar en alguna forma el trabajo y funcionamiento de los filtros, de manera más precisa. Un gran número de autores han desarrollado expresiones matemáticas que establecen relaciones entre las diferentes variables del proceso. Podríamos citar a Iwasaki, Mintz, Ives, Mack:rle, Deb, Camp, O'Melia y Stumm, Yao, Habibbian y O'Melia y Maroudas y Einsenklan, entre otros.

a. Ecuaciones de Iwasaki e Ives Fueron, tal vez, de las primeras desarrolladas. Parten del hecho de que el filtro recibe un agua de calidad variable, y produce a su vez un efluente cuya calidad es también variable. En el proceso se retiene cierta cantidad de partículas. De acuerdo con esta hipótesis Iwasaki (1937), trabajando con filtros lentos, propuso, en 193 7, la siguiente ecuación: DI= dz

~

A 1 (VJJJ-7)

En donde, A 1 es la cantidad de material microscópico depositado en 1 cm2 , en la unidad de tiempo, a la profundidad z dentro del medio filtrante. Dicha ecuación fue reescrita por Ives (1960), así: dC

dL

- A C

(VIJJ-7a)

En donde, e = Concentración volumétrica de partículas L = Profundidad de la capa de lecho filtrante que se considera A = Módulo de impedimento o eficiencia de la capa dL del filtro. Esta expresion de primer orden establece una relación directa entre la reducción "de" de concentración de la suspensión en la capa dL y la concentración e que

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

380

está depositada en esa capa. El coeficiente A viene a ser un factor de proporcionalidad, y puede calcularse despejándolo de la ecuación VIII-7, así:

de dL

e o en otra forma:

el

(Vl//-8)

En donde C1 y C2 son las concentraciones volumétricas de partículas (volumen de sólidos por volumen unitario del líquido2 en la parte superior y en la parte inferior de cada una de las capas en que se considera subdividido el lecho filtrante. Véase la figura VIII-lO. Cuando la concentración está dada en ppm (adimensional) y Len cm, A queda expresado en cm- 1. Al volumen de floc depositado por unidad de volumen del medio filtrante, se le denomina depósito específico cr , y se lo puede encontrar asumiendo que el cambio instantáneo de concentración volumétrica o volu3 men del floc removido del flujo QdCdt, es igual al volumen deposiC0 tado en los granos del medio filtrante AdL. d, así: V0

Q de dt =

A dL dcr

( Vl//-9)

Como:

Q A

= v 0 = velocidad de filtración

dcr dt

de e1 e2 -v-=-v---

dL

dL

Despejando dC de (VIII-9) y dL reemplazándola en (VIII -7 a)

Fig. VIII.lO

2 El determinar la concentración (volumen por volumen) presenta ciertas dificultades. Cuando se trata de algas o partículas esferoidales de diámetro conocido, la turbiedad puede relacionarse con el volumen de los sólidos presentes. En suspensiones de partículas de varios diámetros, quizás el uso del contador Coulter de partículas (descrito en el capítulo IV), puede utilizarse para encantar el valor de C como lo sugiriera Smith. 3 Se parte de la hipótesis de la igualdad de volúmenes del floc, esto es que el floc no se compacta al asentarse en la superficie de los granos.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

1 'A=-- da Cv dt

381

(Vlll-10)

Con lo que quedaría expresada en función del depósito específico, asunto que ha sido objeto de mucha investigación en la década pasada. En el modelo de Ives se supone que al principio de la carrera de filtración, los granos del lecho están limpios y por tanto 'A = 'A¡ (inicial). Al prolongarse la carrera, los depósitos .se acumulan por efecto de la gravedad como pequeñas cúpulas encima de los granos. Esta acumulación produce un incremento en el área superficial sin aumentar la velociad intersticial, lo que implica una mayor eficiencia y por tanto 'A aumenta linealmente en función de , así:

'Ay

K

= 'Ai +Ka =

(Vlll-11)

Coeficiente empírico

Llega un momento, sin embargo, en que la acumulación de material dentro del lecho es tan grande que los poros se llenan, y la superficie disponible para nuevos depósitos se hace cada vez más pequeña con lo cual 'A empieza a disminuir en proporción:

En donde,

e=

Coeficiente empírico P0 = Porosidad inicial del lecho filtrante

y por tanto:

ea

2

A= A·+ Ka--z

p-a

(VIII-12)

Reemplazando este valor en VIII-7(a):

dC

-

dL

= [

e a2 'Ai + K a - - - ] C Po

( Vlll-13)

a

El modelo de Ives de 1960 tiene varias limitaciones, entre ellas: a. No se tiene en cuenta la variación del tamaño del medio filtrante, ni el cambio local en la concentración de partículas depositadas. b. Se parte del principio de que el volumen del material que queda entre los poros, es igual al volumen del material removido de la suspensión, y por tanto se aplica solo a suspensiones no floculadas. Un floc suspendido es 98% agua y 2% sólidos, aproximadamente. Una vez que hace contacto con la superficie de los granos, se compacta como sucede en

382

1

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

0.4r--------------r----------------------------------~

E

u

t<

-"" -8

i\:Ai+KCT _'"(/) o- 2

0.3

o...

¡.;:

fo

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0.2

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"C

e

-~

0.1

.~ t\1

o

~~--1------+----~~----+-----~----~-----1-----d

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Of!pÓ¡,ito r¡¡prcÍfáco

0.06

0.07

0.08

a-

Fig. VIU.ll. Coeficiente del filtro en función del depósito específico

los sedimentado res y su grado de hidratación disminuye por debajo del 98%, lo que significa que su volumen disminuye proporcionalmente también. Al respecto, Hudson (1969) considera que la compactación del floc aumenta al prolongarse la carrera y puede llegar a disminuir el volumen de él hasta en 50% inicüil. Por eso, Foxy Cleasby (1966) encontraron que el valor de A calculado con la formula (VIII-12) no se ajustaba a los resultados experimentales obtenidos con floc de hidróxido férrico. Se observa una diferencia significativa entre la curva teórica calculada en un computador y la curva resultante de los experimentos. La ecuación de Ives, en cambio, describe bien la filtracion de partículas · discretas. Los autores antes citados concluyen que la primera parte de la expresión A = A¡ + K cr , parece ser válida para el período inicial, pero no así la segunda parte:

En 1969, Ives presentó un nuevo modelo en el que trata de reconciliar las expresiones de varios autores. Se basa en la hipótesis de que es función de la superfice específica del filtro (superficie de material por unidad de volumen). Al principio de la carrera, el filtro se puede considerar constituido por granos esféricos en los cuales el material se deposita, incrementando la superficie específica y por tanto A . A medida que la carrera progresa y se aumenta el volumen de depósitos, los granos del medio dejan de actuar como esferas independientes y el lecho se puede considerar como una masa compuesta de una serie de capilares cilíndricos. Al combinar ambos métodos de comportamiento se obtiene la siguiente ecuación:

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

"-1 ( 1 +~)y

A

( 1- ~) z ( 1.

Po

Po

~)X

383

(VIII-14)

av

En donde: ~=

Po

constante - - -

1- Po

av = Valor de saturación de cuando se alcanza un límite, tal ,que la deposición de más material en esa profundidad queda inhibida. Los exponentes y, z, x son constantes empíricas que se pueden variar para ajustarlas a los distintos modelos que se consideren. Si: y 1, z =O, x =O. "-o~ "-1 +-cr

'A

"-i+Ka

(Vlll-15)

Po El anterior es el modelo de Iwasaki.

Si:y=1,

z

1,

X

e a2 Po

(Vlll-16)

a

Esta es la expresión de Ives de 1960. Igualmente se puede demostrar que, cambiando los exponentes se puede llegar a las ecuaciones de Mackrle, Shekhtman y Maroudas. Por tanto, el nuevo modelo de Ives viene a ser una generalización de su modelo anterior, que busca ajustarse a las condiciones experimentales de cada investigador. Y es por eso, el que hemos escogido para desarrollar el modelo de comportamiento de los filtros de velocidad declinante escalonado que se describe más adelante. Su mayor inconveniente radica en que para la determinación de las constantes, hay que realizar laboriosos experimentos en filtros pilotos, lo que hace poco práctico su uso como instrumento de diseño.

Modelo de Mintz y Krisful En los modelos anteriores, se parte del principio de que la disminución de 'A durante la carrera (disminución que termina por producir la irrupción de turbiedad) se debe a que la acumulación de depósitos en los granos, crea constricciones en los poros, los cuales impiden que se adhieran nuevas partículas en la respectiva capa y las obligan a colocarse en una capa inferior hasta que terminan saliendo en el efluente. Mintz y su grupo de Moscú en 1959, estuvieron en desacuerdo con esa tesis y sostuvieron que la disminución de 'A era debida, más que al incremento de los depósitos, puesto que la rata de deposición de material en los granos era relativamente constante, a la ruptura de los depósitos ya adheridos a ellos, que se desprendían y penetraban en profundidad. Consideraron así, que en la filtración, actuaban dos mecanismos contrapuestos: el de adherencia y el de desprendimiento y expresaron er cambio de concentración de partículas C en un lecho de altura L, de la siguiente manera:

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

384

dC = /.. C!!:.. cr dL V En donde:

a = el coeficiente de desprendimiento v = velocidad de filtración El primer término de la ecuación VIII-15 (similar al de ~wasaki, trabajo que los autores mencionados parecían desconocer), representa el mecanismo de adherencia y el segundo, el de desprendimiento. En forma diferencial:

dC

da

v- =dL dt

(Vlll-7a)

Expresión igual a la (VIII-7a) dada por Ives. Dos diferencias básicas existen entre este modelo y el de Iwasaki e Ives: a. El proceso de filtración aparece deteriorándose desde el principio, sin que exista un período inicial en que la eficiencia incrementa b. El mecanismo de desprendimiento se considera realizando un trabajo básico en el comportamiento del filtro. Este último supuesto parece estar confirmado por diversos estudios. Ling (1955) al medir el porcentaje de remoción de turbiedad de cinco diferentes capas de un lecho filtrante de granulometría uniforme de espesor (0-1 " , 1-4" , 4-1 O", 10-19", 19-24") halló que al principio la primera capa (0-1 ")remueve casi toda la turbiedad. A medida que progresa la carrera, la segunda capa (1-4 ") va aumentando su eficiencia mientras que la primera la disminuye rápidamente. Doce horas después la segunda empieza a declinar también, mientras las capas inferiores van incrementando paulatinamente su porcentaje de remoción, y las de encima lo disminuyen. Llega un momento en que todo el lecho queda obstruido y comienza entonces a pasar floc en proporción cada vez mayor al efluente (véase la figura VIII-12). Camp y Ste in ( 1964) constataron que el desprendimiento de partículas de floc en el filtro se presenta en forma rutinaria y como parte del proceso. Payatakes y colaboradores ( 1981) observaron la filtración con microscopio y videograbadora y encontraron frecuentes desprendimientos de partículas depositadas, incluso bloqueos súbitos de poros que obligaban al agua a reversar el sentido del flujo. Ives y Clough (1985) vieron en sus ensayos avalanchas de flóculos desprendiendose de los granos. De manera que hoy queda poca duda sobre la existencia e importancia de este fenómeno.

Otros modelos Los nuevos modelos, por eso, incorporan siempre los mecanismos de adherencia y desprendimiento. De ellos existe una gran variedad que sería inútil reseñar en el presente libro. Más importante es la concepción misma de cómo ocurre la filtración. El flujo pasa por el medio granular a través de dos tipos de aberturas: los poros entre grano y grano y las cavidades o tubulaciones que se forman cuando los polímeros

385

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

90

Medio filtrontr : 0.38 mm. 0.136 cmjt Veloci9od:

00

~ 10

•

'O

o

60

.o

•

50

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30

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~ E

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20 10

o

o

2

4

e

6

K)

12

16

14

Tiempo -

18

20

22

horas

Fig. VIII.12. Porcentaje de remoción de turbiedad en diferentes capas de un lecho filtrante

0.14 r----....-----r-----r--::----r---.,.---r---,------, 0.1 ~ 1-----.....~lld.--~-f'C=-----+----+

1

e

ii---...,P.,....z;--+----+---_¿_-___, .. ____J

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-----l~--t-----"""._:'k.-~----1

E.1perimentol - - - Tfól_~---+~--+----+-----t 10.1 cm.) Carrtro 4

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1

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0.02

0.04

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OD7

0.08

0.14

0.16

~' .. r-,

~ r-, ~ ,--.........o

~

( b) LECHO (5.0 cm. t

4

10.1 cm) Carnro 9

0,06

0.08

.

0.10

0.12

'

DepÓaitc) EapeCÍfico (5 ( volumtn por volumted Fig. VHI.13

empiezan a llenarse y se establecen pasajes preferenciales, al- unirse. un poro con otro, y formar grietas que parecen mayores que los poros de la zona circundante como lo muestra la figura VIII-13a.

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

386

IIIIILIWIZTIIIOS

-~ela'_c~lo superficial

Hueco ~

'

p

Hueco

t =1

Lecho

visto por encimo

Canales

t=2

t : 3 Corte

Fig. VIII.13a. Efecto de abertura de huecos y grietas en el lecho filtrante según Baylis

Ensayos realizados por Bailys (1937) con sustancias colorantes en un filtro piloto transparente parcialmente obstruído, demostraron que la materia colorante que se inyectó, atravesó los primeros 6 cms. con una velocidad de 1.25-2.5 cm/s. cuando la velocidad promedio calculada debería ser de 0.66 cm/s. Esto sugiere que el flujo en las grietas tiene una velocidad mayor que el promedio en el lecho. Los estudios de A. Maroudas de 1966 parecen confirmar esta hipótesis de Baylis. Trabajando ella con un modelo de filtro, encontró que "durante la clarificación una porción creciente del lecho se bloquea y el flujo tiene lugar a través de caminos que no están obstruídos por los depósitos". Por tanto las partículas que vienen en el afluente pueden quedar removidas:

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

387

l. Por choque y adherencia a un grano del lecho filtrante. 2. Por choque y adherencia a un grupo de partícula previamente depositadas en los granos. 3. Por choque y adherencia con otras partículas con las que forma flóculos de mayor tamaño y peso que pueden ser más fácilmente retenidos en los poros del medio filtrante.

En cambio, las partículas continuan en el agua sin depositarse: l. Por desprendimiento del punto o puntos en donde estaban adheridas, al ser arrastradas por el esfuerzo cortante del fluído. 2. Por paso directo a través de las tubulaciones en donde la velocidad es demasiada alta para permitir su remoción en los granos circundantes. 3. Por rotura de los flóculos previamente formados y paso de sus fragmentos a través de las tubulaciones. 1

La figura VIII -13 b esquematiza estos conceptos. Las partículas que entran pueden: adherirse a los granos, flocular o adherirse a otras partículas depositadas, pero. son arrastradas por roturas o por las tubulaciones y depositadas en las capas inferiores, donde a su vez sufren de nuevo el mismo proceso, siguen penetrando, hasta que atraviesan todo el lecho filtrante, y salen en el efluente.

obturo do

Fig. VIII.13b. Mecanismos de remoción de partículas en el filtro

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

388

Tabla VIII.2. Algunos Modelos Matemáticos de Filtración

Autor

Año 1937

Variables

Expresión di=+ 'Al d2

Iwasaki 1962

1 = Concentración por

cm2

dC =-'A C dL

Ives

cr,

ecrz

e,

Po

=A¡+Kcr--Po- cr

1969

Ives

AA Pcry (1 +-) crzl = ¡(1 +-) ( +cr)x -

Po 1970

1970 dcr = K¡ C ( F- cr ) dt

Adin y Rebhun

Po, o

e, Po =Coeficiente expresado en t

dC V dC e=---+dt Po- cr dL

Deb

O,

crv

Po

K2crl

F = Capacidad del filtro J = Gradiente hidráulico K¡ , K2 = Coeficiente de adherencia y desprendimiento o,

e

1992

Ginn y otros

dC 1- Po = - 1.5 ( - - ) a no dZ de

e

Diámetro del grano d no = Eficiencia de remoción del colector. a = Factor de eficiencia de las coliciones

Ecuaciones para determinar la pérdida de carga en el lecho filtrante Al pasar un flujo Q a través de un lecho filtrante granular de profundidad L, la fricción que el fluido sufre al atravesar los poros, produce una pérdida de carga h, como lo indica la figura VIII-14. Al comenzar la operación del filtro, los granos del lecho están limpios y la pérdida de carga se deberá solamente al tamaño, forma y porosidad (características hidráulicas) del medio filtrante y a la viscosidad y velocidad del agua. Si el fluido no tuviera partículas en suspensión o disolución, esta pérdida de carga inicial será constante a través de todo el período de trabajo o carrera del filtro. Pero si, como sucede ordinariamente, contiene sólidos, éstos irán recubriendo los granos del lecho incrementando su diámetro dp en un valor ~d, y disminuyendo su porosidad inicial p 0 en un valor , con lo que la pérdida de· carga irá incremantándose por la disminución del área de paso del flujo. Resulta de aquí que deben considerarse dos clases de pérdida de carga: a. Una pérdida de carga inicial, que es la mínima que puede producir el filtro y que llamaremos h0 • b. Una pérdida de carga por colmatación que será función del tiempo h q> (t). Por tanto:

hf =h0 + h q> (t) O en forma diferencial:

(VIII-17)

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

dh d ha dh -=[-] + [-]t dL dL dL

389

(Vl!I-18)

h gl(t)

ht Fig. VIII.14. Pérdida de carga vs profundidad del filtro

Análisis granulométrico de materiales granulares El material granular para los filtros se selecciona por medio del cernido en tamices. La serie estándard americana y la Tyler se presentan en las Tablas VIII-3 y VIII-4. Para analizar la muestra, se pesa una cantidad de ella, se cierne en tamices consecutivos y se va obteniendo el tanto por ciento del peso retenido en cada tamiz con relación al total, como se describe en el capítulo X. Los resultados se grafican en papel semilogarítmico como se indica en la figura VIII-15. Allen Hazen sugirió en 1892 como parámetros básicos para caracterizar los medios granulares, lo que él denominó "Coeficiente de Uniformidad y Diámetro Efectivo". El coeficiente de uniformidad (que mejor debiera llamarse de desuniformidad, pues su valor incrementa a medida que la arena es menos uniforme), es la razón del 60 al 10 %, así:

= Abertura del tamiz que dejaría pasar el

C

u

60% (mm)

Abertura del tamiz que dejaría pasar el 10% (mm)

El diámetro efectivo, E, es la abertura del cedazo ideal que deja pasar el 1O%. Este parámetro fue sugerido por Allen Hazen en 1892, debido a que había observado trabajando con filtros lentos, que la resistencia del lecho filtrante no estratificado al paso del agua era la misma, cualquiera q11:e fuera el tamaño del

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGCfA

390

Tabla VHI.3. Serie americana de Tamices (Estados Unidos)

Número de Serie(*)

Tamaño de Aberturas

Máxima Variación de Tamaño

Díametro del Alambre, mm

114 in.

6.3 mm

0.250

±0.20 mm

1.82

No. 3 114

5.6 mm

0.223

±0.18mm

1.68

No. 4

4.75 mm

0.187

±0.15 mm

1.54

No. 5

4.00 mm

0.157

±0.13mm

1.37

No. 6

3.35 mm

0.132

±O.Ilmm

1.23

No. 7

2.80 mm

0.111

±0.095 mm

1.10

No. 8

2.36 mm

0.0937

±0.080 mm

1.00

No. 10

2.00 mm

0.0787

±0.070 mm

0.900

No. 12

1.70 mm

0.0661

±0.060 mm

0.810

No. 14

1.40 mm

0.0555

±0.050 mm

0.725

No. 16

1.18 mm

0.0469

±0.045 mm

0.650

No. 18

1.00 mm

0.0394

± 0.040 mm

0.580

Z > y eficiencia del filtro

De aquí se deduce que no es práctica recomendable el agregar cal antes de filtrar el agua, como algunos operadores acostumbran, para reducir la corrosión en los conductos y accesorios de la galería del filtro. Pues esto, además de producir incrustaciones en los granos del medio filtrante, desmejora la calidad del efluente, aumentando la turbiedad, el col')r y el aluminio residual como lo demuestra Hudson ( 1966). Véase figura VIII-20.

4. Influencia de la temperatura La temperatura del agua afecta tanto los mecanismos físicos como los químicos que intervienen en la filtración. Dos tal y Robeck ( 1966) estudiaron el comportamiento de un filtro a 3°C en invier~o y a 20°C en verano, operando con una rata normal de 2 gpm/p2 (120 m3/m Id y medio filtrante de arena. La turbiedad 4 A pH alto la concentración de iones (OH) es alta y por tanto el potencial zeta es más electronegativo. A pH bajo en cambio predominan los iones H+ y por tanto el P.Z. tiende a ser positivo. En otras palabras a mayor pH el P.Z. es más electronegativo.

406

TEORIA DE LA FILTRACION DEL AGUA

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Aluminio Residual

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2

Promedio

1960-63 8

7

9

10

PH del afluente

Fig. VIII.20. Efecto del pH en la turbiedad efluente de un filtro (según Hudson)

afluente fue de 4 UNT y la efluente de 0.1 UNT. Los resultados se reproducen en la figura VIII-21. Las curvas A, B, C y D son el resultado de los valores de las pérdidas de carga a 15, 45, 52 y 60 cm contados desde la superficie del lecho filtrante. 240 D

e

B

180

120

A

60

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Canaletos

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Canal dt> Re bow

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b)

. ·.····."':·.·· .·· ..

S1stema de canal prrncipql solo

Canal de Rebolltt

-r-

Fig. IX.19. Sistema de recolección del agua de lavado

478

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

Se acostumbra dejarles a las canaletas una pendiente del 2 al 5 % en el fondo ayudar al transporte del material sedimentable. La distancia entre bordes adyacentes no se hace mayor de 2 m para distribuir mejor el flujo y de l. Om entre los bordes y las paredes del filtro. Las formas de las canaletas varían según el material de que están hechas y la longitud. La figura IX-20 presenta algunos esquemas.

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Fig. IX.20. Diferentes secciones de canaletas de lavado

En el segundo caso, el borde del canal se utiliza para el rebose del agua, y el filtro se diseña alargado de modo que no haya ningún punto de la superficie filtrante que quede horizontalmente a más de 3.0 m de la cresta del vertedero (ver figura IX-19(b)). Los méritos relativos entre uno y otro sistema no están bien determinados. La ausencia de canaletas laterales presenta sus ventajas, pues se evitan las obstrucciones creadas por éstas, pero en cambio, por lo general se incrementa la distancia media que las partículas tienen que recorrer para llegar hasta el vertedero de salida. El número y tamaño de las canaletas depende de la capacidad del filtro y de la rata de lavado que se le quiere aplicar. Por lo general se calculan para 20 a 40 %más del gasto teóricamente necesario. Existen gran variedad de fórmulas para estimar el caudal. Camp halló la siguiente expresión:

Donde,

Q = Gasto dado por la caiUlleta, en m3/min W =Ancho de la caiUlleta, en m h0 = Máximo nivel de agua en la canaleta, en m Esta fórmula se aplica cuando la descarga de la canaleta es libre. Cuando las secciones de las canaletas no son rectangulares, se puede emplear esta misma fórmula y calcular las secciones de área equivalente. _ La altura desde la superficie del lecho hasta el plano de rebose debe ser igual a la expansión máxima del lecho (20% - 50%) Fig. IX.21 Más un borde libre no menor al valor H total de la canaleta, para evitar que se pierda el medio filtrante durante el lavado. Esta altura varía por eso entre 40 cm y 7 5 cm con tendencia a 60 cm. Los valores más bajos se prefieren para lavados con aire y agua.

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TEORIA Y PRACTICA DE LA PORIFICACION DEL AGUA

479

Ejemplo: Urrfiltro tiene una capacidad de 2, 400 m3Id fa, trabajando con rata normal y va a· ser lavado con O, 8 mlmin. Se desea conocer la sección y dimensiones del filtro y las canaletas de lavado, y la altura de ellas sobre la arena, si el lecho filtrante tiene 70 cm de profundidad y se lo quiere expandir como máximo un 50%. (a) Area del filtro: 2400 117.5

= 20.4 m2

(b) Dimensiones: 4 x 5 m (e) Gasto de lavado: Q = 0.8 x 20 = 16m3lmin más 30% 16x 1.30 = 20.8 m3/min Si ponemos dos canaletas rectangulares el gasto por canaleta será: Q = 20 ·8 r= 10.4 m3/min 2

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:·_._.filtraRte ·:: ·... -· .·• ·.·· ..... " . :.· .. ,· ....... ·.. _: ... .'. ·.. : Fig. IX.22. Ejemplo de cálculo

En planta las canaletas quedarían como indica el esquema. (d) Altura sobre el lecho: Para expansión de 50% el lecho alcanzará 70 x 0.5 = 35 cm Altura total 35 + 40 = 75 cm. Desde la supeljicie del lecho hasta el borde de la canaleta.

480

DISEÑO DE UNIDADES DE ALTRACION

SISTEMAS DE DRENAJE El objeto de los drenes que se colocan en el fondo del filtro es doble: 1. Recolectar y extraer el agua filtrada. 2. Distribuir uniformemente el agua de lavado ~n el lecho filtrante y el .aire cuando este se usa. Cuando los drenes están mal diseñados y no distribuyen uniformemente el agua de lavado, desestratifican la grava causando pérdidas del medio granular y deficiente limpieza de los granos. Los sistemas de drenajes podríamos clasificarlos en tres tipos, así: Tipo

Clase o Nombre

Se usa para:

Tuberías perforadas

Para trabajo con grava Bloques Wagner Boquillas Patterson-Candv

Agua sola (alta rata) Agua sola (alta rata) Agua y aire (baja rata)

Falsos fondos

Fondo Weeler Fondo Leopold (cerámico) Fondo Leopold (plástico) Boquillas Prefabricados

Agua sola (alta rata) Agua sola (alta rata) Agua y aire (alta rata) Agua y aire (baja, alta rata, según diseño) Agua o agua y aire (a~ta rata)

Bloques carborundum Concreto poroso

Agua sola (alta rata) Agua o agua y aire (alta rata)

Placas porosas

Aunque el cuadro anterior no. incluye todos los sistemas, vamos a estudiar los enumerados a título de ejemplo.

Tuberías perforadas para trabajo con grava: Es el sistema más antiguo de drenaje de los filtros. En la actualidad se lo puede fabricar en tubería de plástico para evitar la corrosión. Principal

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PRINCIPAL

Y LATERALES

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Fig. IX.23. Principal y laterales

Consiste en una tubería principal o matriz, a lado y lado de la cual se le pegan una serie de tubos laterales perforados. La superficie total de los orificios debe ser del 0.2 al 0.33 % del área filtrante y el diámetro de cada uno varía entre 6.5 y 15.8 mm, colücados a distancias entre 7.5 y 25 cm unos de otros. La distancia entre laterales es de 20 a 30 cm centro a centro y las perforaciones forman 30 a

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

481

lado y lado de la vertical. La altura de los tubos sobre el fondo del filtro debe ser de 3. 5 cm. La relación de longitud de los laterales a su diámetro no debe exceder de 60. Por eso para una longitud de 1.0 m se usa ·

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Fig. IX.41. Comportamiento hidráulico de un filtro con rata declinante continua

Tratándose de una batería de varios filtros, en cada unidad el flujo que entra es igual al que sale pues no existe ningún proceso de embalse en la caja de los filtro, lo que hace que el nivel de filtración permanezca estático durante la carrera. Los filtros más sucios le transfieren la carga que no alcanza a filtrar a los más limpios, manteniendo un balance entre el flujo afluente y el efluente con que la batería está trabajando. Esto puede ocurrir sólo cuando no hay la menor variación ni en el caudal que entra a la planta ni en el número de unidades en servicio a través del tiempo, lo que no ocurre en la práctica. Una aproximación al sistema de rata declinante continua fué hecha por Hudson ( 1963), utilizando para ello una cámara de igualización, a donde lle ganlos efluentes de todos los filtros o un grupo de filtro y de donde se los bombea al tanque de agua clara. Todas las unidades descargan a un múltiple etluente y la presión en este múltiple controla la rata de flujo en la batería de filtros. Cuando la presión aumenta esta se disminuye y viceversa.

500

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

Las bombas son de flujo variable, de forma de poder ajustar el gasto que entra con el que sale, conservando así un nivel estable y común en todas las unidades. Las plantas de tratamiento de Wayne Country, Paughkeepsie, Wyandotte, Michigan y Greensboro (E. U) son de este estilo y han venido operando correctamente. Muestran un incremento de flujo durante el lavado de cada unidad, como se ve en la figura IX-42, debido a que no tienen filtros de reserva que pueda entrar

Filtros de rata declinante de Barranquilla (Colombia)

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Fig. IX.42. Diagrama típico de funcionamiento de filtros de rata declinante continua en Greensboro N.C. (E.U.)

18

TEORlA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

501

en servicio en ese momento, pero se nota una disminución continua del flujo sin escalones.

2. Rata variable declinante escalonada La rata variable declinante escalonada tal como ha sido propuesta por Cleasby ( 1969), Arboleda (1974) y otros, es de simple aplicación tanto en sistemas construidos (el de la planta de tratamiento de Taipel descrito por Cleasby (1969)) como en proyectos del tipo de los que se están haciendo en la actualidad en América Latina. Una de las ventajas de este modo de control, es la de que permite notable simplificación de las galerías de conductos, abaratando asi considerablemente los costos de construcción y facilitando la operación de los filtros. El método consiste en permitir la variación libre del nivel del agua en el filtro, de tal manera que a medida que este se vaya colmatando, el nivel vaya ascendiendo hasta llegar al máximo permisible por la hidráulica de la planta. En ese momento se lava una unidad de la batería de filtros, con lo que el nivel desciende en todos ellos para volver a subir y así sucesivamente. En estas condiciones, la rata de flujo en cada unidad se torna escalonada, conservándose aproximadamente constante entre lavado y lavado de cada filtro pero bajando después de cada lavado. Para los efectos de este trabajo, vamos a definir como lQit[fera, el· tiempQ

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tañfuscíclosc-ua:nfos .filtró"s-hayiCéOnectados a la batería, en el supuesto de que todos se van lavando uno tras otro, cada vez que el nivel de agua en ellos llega al máximo permisible. Como el flujo que entra al filtro es ligeramente superior al que el sistema es capaz de evacuar, el excedente de agua se embalsa y va haciendo subir el nivel lentamente, manteniendo el flujo en cada unidad aproximadamente uniforme durante el ciclo, pues el aumento de nivel se compensa con el incremento de pérdida de carga en el lecho, en una forma similar a la que ocurre en los filtros de rata constante con flujo equirepartido entre las unidades por medio de vertederos de descarga libre. El proceso de embalse y por ende de subida del nivel, se hace más rápido cuando se suspende un ftltro para lavarlo, por cuanto los otros tienen que tomar la totalidad del caudal, lo que produce (Ver figura IX-43) una subida M 1 que induce un aumento de .flujo q1; pero tan pronto como se suspende el lavado y entra a operar la unidad limpia, el nivel baja en un valor MI y el flujo en AQ, por cuanto el filtro limpio descarga las demás unidades al tomar para si un mayor caudal. Cuando la rata declinante se usa simultáneamente con lavado mutuo (como se explicó antes) y se tiene un vertedero general de rebose del agua filtrada, no se produce este pico M 1 durante el lavado, por cuanto el tirante de agua en dicho vertedero desciende en ese momento, debido a que el flujo producido (o parte de él) se esta utilizando para lavar la unidad fuera de servicio. Las pérdidas de carga que regulan el comportamiento de los filtros, son de dos tipos: Pérdidas de carga laminares y pérdidas de carga turbulentas. Las primeras son las producidas en el medio filtrante, en donde durante la filtración, el número de Reynolds- se conserva inferior a 6 (valor límite de flujo laminar según Camp (1964)) en lechos granulares y que se pueden descomponer, para facilitar el cálculo, en pérdida de carga del lecho limpio (cuando se inicia la

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

502

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Fig. IX.43. Comportamiento hidráulico de un filtro de rata declinante escalonada

carrera), la cual es constante a través del tiempo y pérdida de carga por colmatación, producida por la fricción adicional que inducen las partículas que van siendo removidas del líquido durante la filtración, a medida que van llenando los poros del lecho filtrante, la cual es variable con el tiempo. La pérdida de carga turbulenta, en cambio, es la creada por todas las p·artes_ del filtro que trabaja con alto número de Reynolds, tales como drenes, tuberías, válvulas,. accesorios de tubería y vertederos efluentes, la cual no cambia durante

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TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

las carreras de filtración y el consumo de energía por fricción que ella produce es función directa del cuadrado de flujo. La magnitud de todas estas pérdidas, tanto laminares como turbulentas, hace que los niveles de agua en el filtro puedan situarse así: (Véase figuras IX -44 y IX-45).

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Fig. IX.53. Número de unidades de filtración vs capacidad de la planta, para treinta estaciones de purificación de Brasil (según Azevedo Netto)

Por otra parte es indispensable hacer un buen análisis de la hidráulica de los filtros en especial para evitar los siguientes problemas: l. Posibilidad de vaciado de la caja de los filtros. 2. Estructuras demasiado profundas. 3. Estructuras muy bajas que produzcan cortas carreras de filtración. 4. Alta velocidad de filtración al comienzo de la carrera.

1. Posibilidad de vaciado de la caja de los filtros En los filtros convencionales que no tienen controlador o lo tienen dañado, es frecuente que al iniciar la carrera de filtración, debido a la baja pérdida de carga que existe en ese momento en el lecho filtrante, el nivel de agua en el filtro tienda .a descender notablemente y aún a vaciarse. Este problema se evita por completo al diseñar filtros de lavado mutuo, porque en éstos el vertedero de rebose dé todas las unidades se colocan entre O. 60: y 1.40 m por encima de la cresta del vertedero de lavado y en consecuencia él filtro no puede quedar seco al comienio

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Fig. IX.67. Planta filtros flujo ascendente descendente

551

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

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Fig. IX.68. Filtro rápido con flujo ascendente y descendente

Esto significa que es posible hacer una filtración ascendente que prepare el agua para una filtración descendente en condiciones aceptables de funcionamiento. Tiene lo anterior la ventaja de que podrían dosificarse en forma separada el sulfato de aluminio que iría en el influente del filtro de flujo ascendente y el polielectrolito que se aplicaría al pasar el efluente de éste al filtro descendente. Para garantizar buenas condiciones de lavado sería recomendable el uso de aire y agua para el lavado de los filtros ascendentes. Si tal proceso se diseña con la tecnología simplificada que se usa en América Latina, el conjunto puede resultar muy operable y económico, como se puede obervar en la figura IX-74.

Filtros Biflujo Son los que admiten el agua para la filtración, tanto por la parte superior del filtro como por la inferior, como lo muestra la figura IX-75. Este tipo de filtro se conoce como el AKX en Rusia y se construye con una profundidad de 1.50 a 1.60 m de capa de arena. El sistema de recolección consiste en tubos de plástico perforados que se colocan a 45-60 cm debajo del nivel superior del lecho. El flujo se regula de modo que por la parte superior entre un gasto equivalente a 120-150 m 3/m 2/d y por la inferior 180-210 m 3/m 2/d. El filtro en total queda trabajando con 300-360 m 3/d 2/d. La velocidad de lavado es como en el caso anterior de 80-90 cm/min y se emplea conjuntamente agua y aire para aumentar la fricción entre los granos. El mayor problema de estos filtros ha sido el mal funcionamiento del sistema de drenaje incluido dentro de la arena.

FILTROS BIOLOGICOS Los filtros biológicos son otra forma de hacer remoción de orgánicos, y pueden hacerse con filtración rápida o con filtración lenta. En ambos casos, el medio

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DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

poroso granular al recibir agua con suficiente carga orgánica disuelta, tiende a formar una película biológica alrededor de los granos del mismo, capaz de alimentar microorganismos de distinto tipo, consumidores de la materia orgánica biodegradable (MOB), esto es, del grupo de compuestos y/o moléculas asimilables por las bacterias. La filtración biológica puede hacerse con: l. Filtros rápidos de arena, o de arena y antracita o de carbón activado granular con o sin la inyección de ozono y/o la supresión del cloro en el agua de lavado. 2. Con filtros lentos de arena con o sin la inyección de ozono. FILTROS RAPIDOS BIOLOGICOS En cualquiera que sea el biofiltro, los microorganismos forman una biopelícula autóctona generada por distintas especies, que incluyen bacterias heterotróficas y otras formas de vida superior, las cuales usan como fuente de energía la materia orgánica biodegradable, consumiendo el carbono naturalmente presente en el agua, que contienen los subproductos de las algas y las sustancias que ellas excretan, así como las sustancias húmicas y otra variedad de estructuras orgánicas. Hasta ahora no se ha demostrado que los subproductos de la actividad biológica (por ejemplo, lipopolisacáridos y otros productos microbianos solubles) tengan efectos adversos en la salud de los consumidores. La biofiltración puede usarse como proceso único o como proceso complementario para aumentar la remoción del COT cuando la coagulación avanzada de orgánicos no alcanza a cumplir las normas y se requiere remover una mayor cantidad de materia orgánica biodegradable (MOB) para evitar crecimientos bacterianos en las redes, y los otros problemas contaminantes. En biofiltración, es la concentración de biomasa la que parece controlar la remoción de COD, concentración que puede ser estimulada o disminuida, según las circunstancias. La disminuyen el cloro y los desinfectantes, que dejan un efecto residual, y la rápida variabilidad del MOB afluente y los periodos prolongados de descanso del filtro. La estimulan el alto contenido orgánico, la temperatura, el pH del agua, y en especial algunas sustancias químicas como el ozono, que incrementa la biodegradabilidad de la materia orgánica, rompiendo las largas moléculas orgánicas en moléculas más polares y más pequeñas, con lo que se hace más asimilable el material orgánico al catabolismo bacteria!. La ozonación reduce además el potencial de formación de trihalometanos, sin afectar la alcalinidad ni el pH. Sin embargo, la determinación de la dosis óptima de 0 1 que se piensa utilizar es un asunto delicado, que debe estudiarse cuidadosamente -en laboratorio y planta piloto porque puede generar, en especial cuando su dosificación se incrementa a valores sobre 4.0 mg/1 de 0/mg/1 de COT, subproductos de la ozonación (SPO), algunos de los cuales han probado ser cancerígenos en animales. Estos SPO, entre otros, son los siguientes: ED Bromatos formados por la reacción de los bromuros (cuando existen en el agua) con el 0 3 y con el DOC, que han sido regulados por la EPA a un máximo de 0.01 mg/1. La formación de bromatos es directamente proporcional a la presencia de bromuros, de manera que cuando se incrementa el COD y se requiere, por eso, incrementar el Ov pueden encontrarse valores altos de bromatos. Se enfrenta así el dilema de que si las dosis de ozono son

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

• • •

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bajas, se minimiza la formación de subproductos de la desinfección bromados, y si las dosis son altas, aparecen demasiados bromatos, en especial a pH ambiente, lo que debe evitarse. Por eso hay que buscar una solución de compromiso para cada sitio. Aldehídos, que por lo menos son cuatro, formaldehídos, glicosal, acetaldehído y metilglicosal, los cuales se incrementan en función del COD del agua cruda, en forma independiente de la presencia de bromuros. Ketoácidos, que también se producen en proporción al COD presente, sin importar la concentración de bromuros. Por último, debe considerarse la posibilidad de que se produzcan recrecimientos bacterianos y biopelículas en las tuberías de la red, al escapar compuestos orgánicos de los procesos de tratamiento cuya biodegrabilidad ha sido aumentada por la ozonación. Las altas remociones de partículas en el filtrado son, por eso, esenciales en el caso.

Los ensayos realizados por Goldgrabe y colaboradores (1993) muestran que la turbiedad en los filtros, ya sea con precloración (PC) o lavados con agua preclarada (BWC) o sin presencia de cloro (NC), no muestra significativa diferencia, lo que prueba que la filtración biológica no degrada la calidad del filtrado, no obstante que no se observó biomasa activa en el PC y la que apareció en el NC fue siete veces mayor que el BWC después de 12 semanas de ensayos. Sin embargo, ese crecimiento rápido de la biomasa dentro del medio acelera la rata de incremento de la pérdida de carga, lo que se traduce en carreras más cortas, que se pueden alargar usando medio filtrante más grueso, o cambiando la velocidad de filtración, que al parecer influye en la rata de acumulación de la biomasa, no así en la cantidad de la misma después de que el lecho se ha madurado ya. Cualquiera que sea el caso, la acumulación de carga orgánica, cuando ésta es muy alta, puede volver sépticas algunas capas del filtro, en especial cuando ha estado por cierto tiempo fuera de servicio, y producir mala calidad efluente. Debe, por eso, chequearse en éste el oxígeno disuelto (OD) y en caso de estar bajo, lavarse vigorosamente el lecho. También debe lavarse después de haberlo dejado por algún tiempo sin uso, antes de ponerlo en servicio. Hay que tener en cuenta que el éxito de la filtración biológica depende del control cuidadoso que se haga de la biomasa dentro del lecho, la cual se puede desprender, si se produce un súbito incremento en la rata de filtración, deteriorando la calidad del filtrado, en mayor proporción que en la filtración convencional. Malley y colaboradores (1993) identificaron las siguientes bacterias activas en la biomasa: Pseudomonas vesicularis, Pseudomonas fluerencens, Antobacter autroficus y Cronwbacteriwn violacecum, todas aerobias gramnegativas, prevalecientemente acuáticas y con capacidades heterotróficas. La producción y remoción de la materia orgánica biodegradable (MOB) se evidencia en la figura IX -68a, tomada de Smith y Eme leo ( 1998), en la que se observa que la MOB que entra a la planta de tratamiento aumenta después de la sedimentación, y aún más después de la ozonación, que es cuando más partículas se producen, pero desciende sensiblemente después de la filtración biológica hasta terminar en una fracción de la que entró a la planta, de forma que, en conjunto, se hace una sustancial remoción del COD al finalizar los procesos. Niquette y colaboradores (1998), así como Malley y colaboradores (1993), y otros, han trabajado en biofiltros piloto, con geotextiles o mallas de poliuretano para promover la recolección de partículas en ellas y estimular de esta manera la actividad bacteria!, así como reducir el aumento de pérdida de carga en el medio filtrante, con algún grado de éxito. Esta tecnología no está totalmente desarrollada, pero puede ensayarse en casos especiales.

554

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION 5.00

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Fig. IX.68a. Producción y remoción de MOB a través de una planta de tratamiento

LAVADO DEL FILTRO BIOLOGICO Según Arnirtharajah (1998), las células de los microorganismos están negativamente cargadas, carga que adquieren, dependiendo del pH, por ionización de los grupos presentes en la superficie de los coloides, como aminas, carboxilos, fosfatos, etc. Con base en la teoría, estas células deben ser repelidas por los granos del medio a bajas concentraciones, pero a altas concentraciones, las fuerzas atractivas de Van Der Waals, que actúan sólo a muy cortas distancias, exceden la repulsión eléctrico-estática y adhieren los microorganismos a las superficies, estableciendo así puentes poliméricos formados por el material extraceular que ellos segregan. Esto hace que las bacterias, que son partículas hidrofóbicas, se peguen a los granos del lecho más fuertemente que las partículas de arcilla, lo cual explica la diferencia que se observa en la forma como actúan las partículas no biológicas durante el lavado, que empiezan a desprenderse de los granos desde el comienzo del proceso, en cambio, las partículas biológicas lo hacen sólo un tiempo después. (Véase la figura IX -68b). Debe tenerse en cuenta que el lavado de los biofiltros no puede ser tan vigoroso que elimine por completo la biomasa que se ha formado entre los granos del lecho, porque ésta se necesita para iniciar la siguiente carrera de filtración. Por eso, el uso de agua de lavado dorada, por lo general, no resulta satisfactoria porque tiende a inactivar los microorganismos presentes en ella, los cuales sólo posteriormente, a lo largo de la carrera, vuelven a recrecer, con lo que la eficiencia del proceso disminuye, en comparación con la de los filtros que se lavan con agua no el orada. El lavado de los filtros biológicos debe, por tanto, cumplir los requisitos contradictorios: por una parte, no destruir toda la población bacteriana indispensable para el catabolismo bacterial, y por el otro, debe eliminar el exceso de material que obstruye los poros del medio y que puede producir carreras cortas, bolas de lodo e, incluso, condiciones sépticas, como se dijo antes.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

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Turbiedad Partículas heterobióficas

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Muestras de igual volumen Fig. IX.68b. Turbiedad y remoción de bacterias durante un lavado de volumen constante con una expansión de 60%

No debe perderse de vista, sin embargo, que el material biológico se adhiere con mayor fuerza que el no biológico y, por tanto, es posible que para· mantener en buenas condiciones el lecho se requiera recurrir a lavado auxiliar con aire y, en ocasiones, utilizar lavado con agua clorada cuando las condiciones de temperatura y concentración del MOB inducen un excesivo crecimiento orgánico.

LECHO FILTRANTE Los lechos filtrantes de los biofiltros son en general similares a los que se usan para filtración convencional. Pueden ser de cuatro tipos: • Lechos de arena sola de capa fina de alrededor de 0.5 mm de tamaño efectivo y 1.6 de coeficiente de uniformidad, con profundidad de 0.60 a 0.75 m. Las cargas superficiales, en estos casos, deben ser del orden de los 120 m3/ m 2/d. Lechos mixtos de arena y antracita (A y A) de 0.50 m de profundidad de antracita entre 0.9 y 1.2 mm de tamaño efectivo y 1.4 a 1.6 de coeficiente de uniformidad, sobre 0.25 a 0.3 m de arena de 0.5 a 0.6 mm de tamaño

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

556

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efectivo y 1.5 a 1.7 de coeficiente de uniformidad. Pueden trabajar con velocidades de 240 a 300 m3/m 2/d. Lechos de antracita sola (AS) profunda de 1.20 a 1.6 m de profundidad y tamaños medios entre 1.4 y 2.4 mm. Pueden trabajar con velocidades hasta de 400 m3/m 2/d. Lechos de carbón activado granular (CAG) de 0.75 m de profundidad, con tamaño efectivo de 0.5 a 0.9 mm y coeficiente de uniformidad entre 1.4 y 1.6 y velocidad de filtración entre 120 y 240 m3/m 2/d. Se pueden hacer también lechos mixtos de carbón activado y arena, similares a los A y A o lechos profundos de solo CAG.

Según Wang y colaboradores ( 1995), de los tipos de medios filtrantes antes descritos, el más eficiente es el CAG, cuyo contenido de biomasa fue tres veces superior al AS o A y A. El CAG que dio mejor resultado fue el basado en carbón mineral de lignito, superior al carbón de madera o al bituminoso. Los investigadores antes citados confirman las conclusiones de Amirtharajah de que la cloración frena el crecimiento de la biomasa en los filtros de antracita. Los filtros de antracita que trabajaron con agua preclorada tuvieron dos a tres veces menos biomasa que los lavados con agua dorada. De aquí se deduce que la precloración del agua que entra a los filtros impide el rápido crecimiento bacteria! en los poros del lecho, cuando el residual de cloro permanece en forma continua en el hecho, mientras que cuando el cloro únicamente entra en el agua de lavado, sólo disminuye la producción de biomasa durante el periodo posterior, pero permite el recrecimiento de la misma durante la carrera, en la que se vuelve a formar hasta en proporción a un orden de magnitud menor que la de los filtros no sometídos al contacto con desinfectantes. Por otra parte, desde el punto de vista de la eficiencia en la remoción del MON, como era de esperarse, fueron los filtros no dorados los que dieron los mejores resultados. Los subproductos de la ozonación (SPO) también fueron mejor retenidos por estos filtros, lo que es de mucha importancia, por el peligro de recrecimientos bacterianos en la red de distribución, cuando éstos atraviesan masivamente los filtros, para lo cual el CAG fue definitivamente superior al lecho de arena o arena y antracita. Parecería que las diferencias en la rugosidad del CG en relación con los otros medios, así como los procesos de adsorción que éste produce y las diferencias en las poblaciones bacterianas que estimula, son tal vez las causas de que se genere una biomasa más activa.

FILTROS LENTOS BIOLOGICOS La filtración lenta o biológica, esto es, a ratas menores de 12 m3/m 2/d, precedió a la filtración rápida. Los primeros filtros lentos para toda una población se construyeron en Paisley (Escocia) en 1804. Con la aparición de los filtros rápidos, los lentos se fueron usando cada vez menos, en especial en países de América, en algunos de los cuales no se volvieron a construir nuevas instalaciones de este tipo en los últimos 30 años. En Europa, las instalaciones de filtros lentos existentes han seguuido usándose (como en el caso de Rotterdam y Amstterdam, entre otros). Sin embargo, en los países en desarrollo, los filtros lentos, en zonas rurales principalmente, pueden tener ventajas definidas sobre los filtros rápidos, cuando:

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

557

l. La turbiedad del agua cruda no sobrepasa 1O UNT. Pero se pueden aceptar por pocos días al año turbiedades mayores de 20 UNT, máximo 50 UNT. Si las turbiedades son mayores debe pensarse en prefiltros como los que describiremos más adelante. 2. El precio de la tierra es bajo. Los filtros lentos ocupan aproximadamente un área de 20 a 40 veces mayor que los rápidos. 3. Se quiere depender más de la remoción bacteria! producida por los filtros, que de la desinfección producida por el cloro. 4. No existe en el lugar la capacidad técnica para operar sistemas completos de coagulación-filtración. En especial son éstas dos últimas condiciones las que determinan la superioridad de los filtros lentos en zonas rurales. Por otra parte, como no es conveniente coagular y sedimentar el agua antes de filtrarla en este tipo de unidades, si es necesario realizar dichos procesos, los filtros rápidos serán siempre más ventajosos que los lentos, sobre todo si aquellos se los construye en la forma simplificada, como se explicó anteriormente. En la actualidad el CINARA de Cali (Colombia) está estudiando diferentes métodos de pretratamiento por prefiltración para ampliar la aplicacabilidad de los filtros lentos, algunos de los cuales parecen muy promisorios, como se verá más adelante.

l. Filtros lentos convencionales a. Descripción general. Un filtro de flujo descendente consiste en una caja rectangular o circular a la cual se coloca de 0.90 m a 1.20 m de arena fina sobre 0.40-0.45 m de grava gruesa. Encima del lecho filtrante se deja una capa de agua de 1.00 a 1.50 m y debajo de la grava se coloca un sistema de drenes apropiados. Ya sea a la entrada o a la salida, el flujo se regula para mantener una velocidad de filtración constante. b. Rata de flujo. La rata de flujo varía entre 2 y 14 m3/m2/d. Más frecuentemente entre 3-6 m3/m2/d. c. Lecho filtrante. La grava se diseña en forma similar a la de los filtros rápidos. El lecho más fino debe ser de 1116" (1.59 mm) ó 1112" (2.12 mm) preferiblemente. La arena está constituida por un lecho de 0.90 a 1.20 m de granos finos de 0.15 a 0.30 mm de tamaño efectivo y 1.5 a 2.5 de coeficiente de uniformidad, más frecuentemente 1.8 a 2.0. La arena se coloca sobre la grava por capas. Al no existir lavado ascendente no existe estratificación y los granos finos se mezclan con los gruesos, lo que hace que la porosidad sea menor que en los filtros rápidos lavados con fluidificación de los granos. Existe evidencia (Visscher y Galvis, 1987) de que la calidad del efluente empeora en proporción inversa al tamaño del medio filtrante. Es preferible por eso, usar medios finos en cuyo caso la longitud de las carreras puede disminuir. d. Número de unidades. Por lo menos debe haber dos unidades, de modo que cuando se ponga fuera de servicio una pueda trabajarse con la otra. Debe por tanto considerarse una capacidad adicional de reserva, como lo indica la Tabla IX -18. La máxima área de un filtro deben ser 200 m 2 para facilitar la operación de limpieza.

558

DISEÑO DE UNIDADES DE FILTRACION

La Tabla muestra que cuando se diseña para pequeñas poblaciones, un solo filtro debe ser capaz de tratar la totalidad del flujo sin sobrecarga, para mantener una capacidad de reserva de 100%. Para poblaciones mayores esta reserva puede ser menor. Tabla IX.18. Capacidad adicional necesaria en plantas de tratamiento con filtros lentos

e. Forma de los filtros. Los filtros pueden ser circulares o rectangulares, con paredes verticales o inclinadas, como lo muestra a figura IX -69. La ventaja de éstas últimas, es la de que se puede transmitir toda la carga al terreno y solo cubrir con una capa impermeabilizante la parte excavada, para evitar las filtraciones. Requiere un espacio mayor debido al talud, ya que el área crítica está a nivel de la superficie del medio filtrante. El volumen total de arena es menor. f. Sistema de drenaje. Los sistemas de drenaje del filtro lento pueden ser de diferente tipo, principalmente: (1) Ladrillos tendidos de canto, con otros ladrillos encima tendidos de plano, dejando un espaciamiento de 1 cm entre lados. El conjunto drena hacia un canal colector central, que recolecta todo el flujo del filtro. (2) Bloques de concreto poroso en forma de puente, que confluyen también a un

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559

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

canal central. (3) Tuberías de drenaje perforadas con orificios no mayores de 1" (2. 54 cm). Estas tuberías pueden desembocar en forma de espina de pescado a un conducto o tubería central o a un pozo lateral con una pendiente del 1 % al 2%. Las tuberías deben calcularse como múltiples. Los sistemas descritos se esquematizan en la figura IX-70. g. Control de rata de flujo. Los filtros lentos se suelen operar con una velocidad constante de filtración. Esto se puede conseguir: regulando la entrada de agua o regulando la salida. La regulación del t1ujo a la entrada es quizás la más simple y económica. Basta colocar a la entrada dd agua Clllda un vertedero de aforo y una válvula de control del t1ujo para mantener un caudal constante por ajuste de dicha válvula. ARENA

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TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

627

Columna 2: Para determinar los tiempos acumumados correspondientes a cada ma de datos, desde el momento en que se inició la carrera. Columnas 3 y 4: Para establecer las turbiedades del afluente y efluente en NT. Columnas 5, 6, 7, 8 y 9: Para anotar las pérdidas de carga (en centímetros) que se lean para cada piezómetro. Columna 10: Para determinar el tiempo (en segundos) en que se llena un recipiente de una capacidad definida (1 litro en nuestro caso). Sirve para calcular la rata de filtración en el instante de la toma de los datos y establecer así un chequeo a los reguladores de caudal. En la parte inferior se consignan los datos de lavado: (a) Tiempo en minutos, (b) Volumen de agua utilizada (1) y (e) Rata de lavado (1/s/m) calculada de acuerdo al tiempo y con el volumen. Con base en los datos obtenidos, se dibujan los tres tipos de gráficos para cada carrera de filtración, que aparecen en la figura X-35. l. El gráfico superior que muestra la forma en que se ha incrementado la pérdida de carga en diferentes puntos del filtro a través del tiempo, resulta un conjunto de curvas siempre ascendentes. El tiempo para alcanzar la máxima pérdida de carga de 2.00 metros, (t va marcado en el diagrama. 7

)

Fig. X.34. Filtros experimentales automáticos montados en la galería de operación de la planta de tratamiento de Vitelma, Bogotá

628

CONTROL DEL PROCESO DE FILTRACION

2. El diagrama que aparece al medio indica la variación de la turbiedad del. afluente a través del tiempo. 3. El gráfico de la parte inferior relaciona la turbiedad del efluente con el tiempo de filtración y permite observar la tendencia a exceder en un determinado momento la turbiedad máxima permisible. El tiempo al cual se llegó a 1.5 UNT de turbiedad (t 1) considerada la máxima permisible 5, se determinó en el gráfico cuando se pudo. Cabe observar que, cualquiera sea la experimentación de que se trate, no debe nunca cambiarse más de un parámetro a la vez. Cuando se cambian dos o más no se sabe cuál de ellos fue el que produjo la modificación de los resultados. Por ejemplo, si se cambian los lechos filtrantes no se deben cambiar las ratas de flujo al mismo tiempo, o dentro de la misma carrera no deben cambiarse las ratas de flujo, etc.

Plantas piloto automáticas de filtración Dados los avances en la sistematización, en la actualidad lo más frecuente es ejecutar todos los pasos anteriores con sistemas automáticos o semiautomáticos que simplifican grandemente la toma y análisis de datos. Estos sistemas constan de: a) Un monitor de turbiedad que mida las turbiedades de entrada y salida de cada filtro. Se puede usar un solo turbidímetro al que una bomba, actuando en conjunto con válvulas solenoides, le inyecta pulsos de agua extraídos de los diferentes puntos de muestreo. Se requiere para esto que los efluentes de los filtros descarguen en un pequeño depósito desde donde los pueda succionar la bomba. b) Un trasductor piezoeléctrico que tome las alturas piezométricas en los distintos niveles del lecho filtrante por medio de válvulas de solenoide comandadas por un computador. e) Un sistema de adquisición y registro de datos que maneje la secuencia de cierres y aperturas de válvulas, capte los datos y los tabule y así mismo los grafique en la forma como se dejó antes descrito atrás. Quedaría como única operación manual el lavado del filtro el cual también se puede automatizar por pérdida de carga máxima o por turbiedad máxima con el mismo computador, programando las órdenes de cierre de la válvula de ingreso del agua y apertura de la del agua de lavado. Véase la figura X-34.

Análisis Bacteriológico El análisis bacteriológico del agua es uno de los ensayos más característicos para medir la eficiencia del proceso de filtración y en general de todos los procesos de tratamiento. El agua proveniente de los filtros, cuando el efluente tiene una muy baja concentración de partículas, debe aparecer con poca o nula contaminación bacteria!, expresada como número más probable de bacterias coliformes por 100 ml, por las razones que se expondrán en el siguiente capítulo. Sin embargo, para que los datos tengan valor estadístico, es necesario efectuarlos durante un buen número de días y aún meses, pues los sistemas de filtración tienden a producir resultados erráticos con respecto a los ensayos bacteriológicos. Es, pues, necesario tener un gran acopio de datos antes de sacar conclusiones sobre eficiencias.

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Estos ensayos se realizaron en 1970. En la actualidad la máxima turbiedad debiera fijarse en 1.0 UNT o 0.5 UNT.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

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tomada de los trabajos de Robeck, Clarke y Dostal (1962). En ellase ve que cuando la turbiedad del filtrado aumentó de 0.1 UNT a más de 2.0 UNT, el paso de virus subió de O a 12%. El ayudante de filtración retardó la irrupción de turbiedad, pero en cuanto esta se produjo, la penetración de los virus se produjo también.

c. Desinfección del agua La desinfección del agua se refiere a la destrucción de los organismos .causantes de enfermedades o patógenos presentes en ella. Los principales son:

(a) Bacterias: Salmonellas (tíficas y paratíficas) Shigellas (disentería) Vibrio comma (cólera) Yersinia (Y ersinosis) E. Coli (Diarreas)

(b) Protozoarios: Amoebas (endomoebas histolíticas, quistes de amibas) Giardia lamblia (giardiasis) Cryptosporidium (cryposporidiasis)

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Fig. XI.4. Efecto de la rata de filtración en la remoción de virus de polio 1en arena limpia, gruesa y fina (sin coagulantes) (según G. Berg)

(e) Virus: Virus de la hepatitis infecciosa Virus de la poliomelitis Otros virus

( d) Tremátodos: Schistosoma manzoni (bilharsiasis) Dracunculus Medinensis (Guzano de Guinea) Ascaris (Ascaridiasis) Las condiciones que debe tener un desinfectante ideal para poder ser usado en las plantas de purificación son: a. Debe ser capaz de destruir los organismos causantes de enfermedades. _ b. Debe realizar esta labor a la temperatura del lugar y en un tiempo adecuado . .c. No debe hacer el agua tóxica peligrosa para la salud o de sabor desagradable. d. Debe ser de fácil obtención, sencillo manejo y bajo costo.·

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

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Tiempo- m in. Fig. XI.5. Remoción de virus con ayudante de coagulación y sin él en filtros de arena y antracita. Dosis de sulfato de aluminio 10 mg/1, turbiedad del agua cruda 40, rata de filtración 350 m3/m 1/d (según Robeck y Co.)

e. Su concentración en el. agua debe poderse determinar prontamente. f. Debe dejar un efecto residual, para que proteja el agua contra posteriores contaminaciones.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

639

La efectividad de un proceso de desinfección se mide por el porcentaje de organismos muertos dentro de un tiempo, una temperatura y un pH prefijados. La resistencia de estos microorganismos varía, sin embargo, según sus características morfológicas. Las esporas bacterianas son sin lugar a dudas las más resistentes, debido tal vez al estado de deshidratación parcial de su protoplasma. Los quistes de protozoarios (quistes de amibas) le siguen en resistencia. Soportan pH tan altos como 13 y tan bajos como l. Son hasta 160 veces más resistentes que las bacterias E. Coli y 9 veces más que los virus más duros a la desinfección con cloro libre. Son~ sin embargo, muy susceptibles al calor, temperaturas de 50°C los destruyen en 2 minutos. Los virus entéricos (poliovirus, coxsakievirus y ecovirus) son también notables por su capacidad para soportar la desinfección debido a su falta de enzimas y otros sistemas sensitivos, pues están constituidos básicamente por ácido nucleico rodeado de una corteza proteínica. Pueden ser inactivados por el calor o ciertas sustancias químicas que son capaces de desnaturalizar su corteza proteínica, la que sobre todo en los virus más pequeños está expuesta directamente a la influencia de los agentes exteriores. Las bacterias vegetativas (coliformes, salmonellas, etc) son las más fáciles de eliminar. La respiración bacteriana se efectúa en la superficie de la célula, lo que las hace muy sensitivas a los agentes desinfectantes (moléculas o cationes) los cuales tienen la oportunidad de reaccionar o sustituir compuestos vitales para ella.

Velocidad con que se realiza la desinfección El proceso de desinfección del agua no es instantáneo sino que se realiza progresivamente, con más o menos velocidad a través del tiempo y se considera terminado cuando ell 00% (99.99%) de los organismos que se trata de destruir han muerto. La forma como este proceso se realiza puede describirse matemáticamente, considerando que se trata de una reacción de primer orden y que por tanto el número de organismos destruidos en la unidad de tiempo es proporcional al número de organismos remanentes en el tiempo t considerado. En otras palabras, sin es el número de organismos y K la velocidad de la reacción:

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(XI-1)

dt Esta es la llamada ley de Chick. Integrando el primer término de esta expresión entren (número de organismos en el tiempo t O) y n (número de organismos en el tiempo t = t ) y el segundo, entre t = O y t =t , obtenemos:

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TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

Tomando logaritmos en la expresión (XI-3 ): '"O"..) 1 11 --·-' - - ogK n0

(X/-4)

Por taP.to. según este modelo, el tiempo necesario para matar un determinado tipo de organismos con un desinfectante es directamente proporcional al logaritmo de la relación de organismos remanentes (n) sobre organismos iniciales (n ). En consecuencia, al graficar en papel semilogarítmico el tiempo de contacto vrs. el porcentaje de organismos sobrevivientes, obtendremos una línea recta en los casos en que se cumple la Ley de Chick, como los muestra la figura Xl-6. Sin embargo, no siempre el proceso de destrucción de microorganismos es una reacción de primer orden, y por tanto se presentan frecuentemente desviaciones a la Ley de Chick. Por ejemplo, la eliminación de quistes de E. histolítica con cloro libre y yodo tiene una cinética de primer orden. pero la supervivencia rle bacterias entéricas así como de algunos virus no sigue dicho comportamiento, pues la rata de destrucción (log n/n 0 ) aumenta o disminuye con el tiempo debido: (a) a la presencia de sustancias interferentes que impiden mantener un residual adecuado con ciert'os desinfectantes; (b) a errores experimentales; (e) a distinta suceptibi-

Desviaciones

6

5

o o

X

•

ele

3

15 ------~------~~---+------~~--~ o 100 200 500

Tiempo

t, m in.

Fig. Xl.6. Representación gráfica de la ley de Chick

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

641

lidad de los organismos; ( d) a mezcla inapropiada de los desinfectantes con el agua; (e) a existencia de colonias de bacterias de tamaños variados que establecen una concentración desuniforme de los organismos en el líquido. Por tanto, la Ley de Chick tiene más que todo valor de referencia para evaluar el comportamiento de un determinado proceso de desinfección, en donde se conoce nln 0 y se quiere calcular la constante de la desinfección (K).

Factores que influyen en la desinfección Por ser la desinfección una reacción, depende de los siguientes factores: l. Relación concentración-tiempo. 2. Temperatura. 3. Potencial hidrógeno o pH. 4. Número y tipo de organismos. l. Relación concentración-tiempo La eficiencia de la desinfección depende de la relación entre el tiempo de contacto y la cantidad de desinfectante dosificado. Una'Cllta concentración necesitará menos tiempo para matar el 100% de los organismos que una concentración débil. Según sea el desinfectante decrecerá más o menos rápidamente el poder bactericida, a medida que se va disminuyendo la concentración. El tiempo de contacto t necesario para matar un determinado número de organismos viene dado por la expresión de Watson: K t =-

en

(XJ-6)

Donde,

K =Constante de la desinfección C =Concentración del desinfectante, en mg/1 n Coeficiente que expresa la eficiencia bactericida del desinfectante y que se conoce como el coeficiente de disolución El valor de ·K ha sido evaluado para distintos microorganismos y desinfectantes, lo que permite conocer la relación concentración-tiempo necesario para realizar la desinfección.

2. Temperatura Las bacterias pueden vivir sólo a determinadas temperaturas, generalmente entre 5°C y 80°C. Igualmente, estas influyen en la rapidez con que una sustancia reacciona. Es lógico, por tanto, que la desinfección sea afectada por este factor. -'En términos generales, cuanto más caliente esté el agua tanto más eficiente y rápida será la desinfección, y p~r tanto la constante K aumentará.

642

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

Se ha encontrado la siguiente expresión para relacionar la constanteK a la temperatura considerada, con el valor de la misma a 2cfC:

K = K2o (1

+e) T-20

(X/-6)

Donde, K =Constante de la desinfección a T°C K20 =Constante a 20°C

T

e

=

Temperatura en °C Factor que varía entre O. 06 y O. 08

3. Potencial hidrógeno - pH Las bacterias son altamente suceptibles al pH como a la temperatura. Los potenciales muy altos o muy bajos le son fatales. Como lo muestran las figuras XI-7 y Xl-8, la E. Coli a pH = 12 y la Salmonella a pH = 11, sobreviven menos de 8 horas. Los virus a un pH menor a 4 y mayor a 1O sobreviven solamente horas. El pH óptimo de los microorganismos está alrededor de 7. En igual forma, la actividad de los desinfectantes químicos depende del pH del agua. Generalmente cada desinfectante presenta un rango de pH en el cual tiene su máxima efectividad, lo cual constituye su característica. A partir de este punto la eficiencia decrece para una misma dosis, un mismo tiempo de contacto y una misma temperatura. 4. Número y tipo de organismos El número de organismos presentes en el agua no afecta el proceso de desinfección. La misma concentración y tiempo de contacto del desinfectante se necesitan para matar una gran cantidad de microorganismos que una pequeña, siempre y cuando la temperatura y el pH sean los mismos. El tipo de microorganismos en cambio sí influye notablemente en los resultados, pues la sensibilidad de cada especie varía según el desinfectante.

Modos de desinfección del agua La desinfección la podemos 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 ultravioletas. Los agentes químicos más importantes son: Los halógenos (cloro, bromo y yodo), la plata ionizada y el ozono.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

643

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.001 .1

.2

.1 A .5.1 .1 1.0

MINUTOS Fig. XI.7a. Relación entre concentración y tiempo en que el ácido hipocloroso (HOCI) destruye diferentes microorganismos a 0-6"C (según Berg)

DESINFECTANTES FISICOS Rayos ultravioletas Se hace pasando una lámina de agua delgada bajo una fuente de rayos ultravioleta. La penetración de los rayos, así como la eficiencia de la desinfección, depende de la turbiedad del líquido. Se usa principalmente en piscinas. No deja efecto residual, ni se puede determinar en el agua la cantidad aplicada en forma · fácil. No es aconsejable para acueductos. Calor Es principalemente un sistema de desinfección doméstico no aplicable a plantas de purificación. Quince o veinte minutos a temperatura de ebullición son suficientes para destruir cualquier microorganismo patógeno. El agua, sin embargo, adquiere un sabor peculiar debido a la expulsión de los gase~ por el incremento de temperatura.

644

~ o

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

0.1

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10-e 12

10-1

o

2

3

4 HORAS

~

•

7

•

Fig. XI.7b. Supervivencia de E. Coli y S. Tifosa a diferentes pH (según Chang)

Ordenes de ebullición del agua deben emitirse cada vez que se considere que existe un peligro para la salud.

DESINFECTANTES QUIMICOS Los desinfectantes químicos más importantes son los halógenos, la plata ionizada y el ozono. Entre los halógenos el más conocido de todos es el cloro, el cual por ser ampliamente utilizado lo vamos a estudiar en detalle.

DESINFECCION CON CLORO La cloración es el proceso de desinfección que hasta el presente reúne las mayores ventajas: es eficiente, fácil de aplicar y deja efecto residual que se puede. medir por sistemas muy simples y al alcance de todos. Tiene, en cambio, la

/

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

645

1000

900 800 700 600 500 400 lOO

zoo

lOO 90 80

70 60 50 ffl

80

Tempiratura °C Fig. XI.9. Viscosidad del cloro líquido y gaseoso a diversas temperaturas

Reacciones del cloro

~n

el agua

La química de la cloración es bastante compleja y aún no bien comprendida. Al agregar cloro al agua, lo primero que ocurre es que este se hidroliza reaccionando con el H2 0, luego se combina con el amoníaco presente y con la materia orgánica, así como con ciertas sustancias químicas para producir una gran diversidad de compuestos, algunos de los cuales tienen propiedades desinfectantés y otros no. Básicamente podemos 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 (OC!). A estos compuestos se les llama doro libre. Las de oxidación-reducción. En que el cloro se combina: a. Con el nitrógeno amoniacal para producir cloraminas (monocloramina NH2 Cl y dicloramina NHCl2 , a las cuales se les llama cloro combinado. utilizable.) También se puede producir tricloruro de nitrógeno, NCl3 •

648

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA 1.~5

1.50 1.~

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5

1.40

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\

2

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\

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1\

~pH 1

_J



6

10

7

pH

Fig. XI.31. 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: 1- Completa ausencia de retromezcla en el secter; 2- Los microorganismos y los desinfectantes están uniforrhemente distribuidos en el líquido; 3- Existe una mezcla completa entre el desinfectante y el líquido; 4- La concentración del desinfectante es constante en el tiempo; 5- La rata de inactivación es dependiente

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

684

del número de organismos sobrevivientes; 6- La rata de inactivacipn es directamente proporcional a la concentración e; 7- La extensión de la inactivación es proporcional a la potencia nde la concentración. Ejemplo: Se desea clorar el efluente de una planta de filtración. Se ha calculado que entre el momento que se aplica el cloro al agua y el momento en que esta va a ser consumida, en las horas de máxima demanda, transcurren 60 min. El contenido de nitrógeno amoniacal es de 0.2 mg/1. El pH del agua es 8.0 y la temperatura 22°C. Se quiere saber qué dosis di(! cloro deberá ser aplicada para garantizar la destrucción de los organismos co/iformes. El punto de quiebre está a una relación el:N =8.5: l. Respuesta: Primera hipótesis: Vamos a clorar con cloro libre. Para pH=8, organismos coliformes y cloro lihre, K= 12.3 (tomado de la figura XI-31).

e

= (K) l/¡ 1

( 12.3 )

t

60

1/0.86

O.15 8 mg/1 de cloro libre

Para obtener cloro libre necesitamos sobrepasar el punto de quiebre y por tanto aplicar por lo menos 8.5 x 0.2 =l. 7 mg/1 de cloro. En consecuencia, la dosis de cloro que deberá ponerse para-obtener 0.185 mg/1 de cloro libre deberá ser aproximadamente:

1.70 + 0.158 ~ 1.9 mg/1 Segunda hipótesis: La cloración se hace con cloro combinado. En este caso para organismos coliformes, y monocloramina,K = 66 (tomado de la table Xl-9)

e= ( 66 ) 1/o.s6 6 = 1.12 mg/1 60 La aplicación de una dosis de cloro combinado (véase la figura XI-32) de 1.12 mg/1 no es posible, pues no hay suficiente nitrógeno en el agua para que reaccione con el cloro. Si se quiere mantener residuales combinados habría que agregar amoníaco al agua, utilizando el proceso llamado cloraminación, que se describirá posteriormente, el cual más exactamente debiera llamarse dernonocloraminación pues lo que se produce en él es la monocloramina, ya que la dicloramina es de mal sabor. 2.5-t-----------.-----------,,....----.-

-

......

e

~

1

ü

o. 16

1-----:-~.,..------='""'--...:::=..1

o~-r~~~~-.--+--~~~~~~-~~

10

20

30

40

tiempo- minutos

.50

60

1~

Cloro aplicado

mg /1

Fig. XI.32. Determinación de la dosis de cloro

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

685

Lo importante en las recientes normas americanas es el haber reconocido que la desinfección es un fenómeno caracterizado por la concentración de determinado desinfectante en un tiempo dado, y que por tanto entre más débil sea éste o menor la dosis, mayor debe ser el tiempo de contacto, para producir la inactivación de los patógenos que se quieren destruir. Las tablas suministradas por la EPA para los valores Ct que aparecen en las figuras XI -1 O y XI -11, así como las que aparecen en los apéndices parten de los siguientes supuestos: 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, como lo anotan Teefy y Singer (1990), 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/1 de cloro libre a 2.0 mg/1 de cloro combinado una vez satisfecha la demanda. Pero acepta como nivel de operación 1.0 mg/1 de cloro combinado en cualquier punto de la red de distribución, o cantidades detectables de cloro libre.

Tabla XI.lO. Valores de Ct para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 5, 10, 15 y 20°C dados por EPA*

pH Cloro libre m gil

*

11

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5 239-179

0.4

92-69

114-86

140-105

169-127

202-152

0.6

98-74

123-92

150-113

182-136

217-163

257-193

300-225

0.8

104-78

129-97

158-119

191-144

229-171

270-203

316-237

l. O

108-81

134-101

165-123

199-149

238-178

281-211

329-247

1.2

111-83

139-104

170-128

206-154

245-184

290-218

339-255

1.4

114-86

142-107

175-131

211-158

252-189

298-224

349-269

1.6

117-88

146-109

179-134

216-162

258-194

305-229

357-268

1.8

119-90

149-112

183-137

221-166

264-198

31!-234

365-273

2.0

122-91

152-114

186-140

225-169

269-201

317-238

371-279

2.2

124-93

154-116

189-142

229-172

273-205

323-242

378-283

2.4

126-94

157-117

192-144

232-174

277-208

328-246

383-288

2.6

127-96

159-119

195-146

235-177

281-211

332-249

389-292

2.8

129-97

161-121

197-148

239-179

285-214

337-253

394-296

3.0

131-98

163-122

200-150

242-181

288-216

341-256

399-299

Estos valores de Ct producen una inactivación mayor de 99.99% de los virus entéricos.

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

686

Para 1S y 20°C (Continuación de la tabla XLI 0)

pH Cloro libre mg/1

i!

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

46-34

57-43

70-53

85-64

101-76

120-90

140-105

0.6

49-37

61-46

75-56

91-68

109-82

128-96

150-113

0.8

52-39

65-48

79-59

96-72

114-86

135-101

158-119

1.0

54-40

67-50

82-62

100-75

119-89

140-105

164-123

1.2

56-42

69-52

85-64

103-77

123-92

145-109

170-127

1.4

57-43

71-53

87-66

106-79

126-95

149-112

174-131

1.6

59-44

73-55

89-67

108-81

129-97

153-114

179-134

1.8

60-45

74-56

91-68

110-83

132-99

156-117

182-137

2.0

61-46

76-57

93-70

112-84

134-101

159-119

186-139

2.2

62-46

77-58

95-71

114-86

137-102

161-121

189-142

2.4

63-47

78-59

96-72

116-87

139-104

164-123

192-144

2.6

64-48

79-60

97-73

118-88

141-106

166-125

194-146

2.8

65-48

80-60

99-74

119-90

142-107

168-126

197-148

3.0

65-49

81-61

100-75

121-91

144-108

170-128

199-150

9.0

Tabla XI. U. 25°C (Continuación de la tabla XI.! 0)

pH

.,.

Cloro libre mg/1

6.0

0.4

23

0.6

25

0.8

26

1.0

27

1.2 1.4

7.0

7.5

8.0

8.5

29

35

42

51

60

70

31

38

46

54

64

75

32

40

48

57

68

79

34

41

so

59

70

82

28

35

43

51

61

73

85

29

36

44

53

63

75

87

1.6

29

36

45

54

65

76

89

1.8

30

37

46

SS

66

78

91

2.0

30

38

47

56

67

79

93

2.2

31

39

47

57

68

81

94 96

6.5

2.4

31

39

48

58

69

82

2.6

32

40

49

59

70

83

97

2.8

32

40

49

60

71

84

99

3.0

33

41

so

60

72

85

lOO

Estos valores ele Ct producen una inactivación mayor ele 99.99% de los virus entéricos.

Para países en vía de desarrollo podrían utilizarse las tablas de la EPA haciendo e igual a la concentración aplicada y t igual al tiempo teórico de detención (volumen/gasto).

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

687

Esto implicaría que por ejemplo: para 1.5 logs y una temperatura de 20°C, una dosis inyectada de 1.0 mg/1 el Ct debiera ser de 41 mg/1/min si el pH es de 8.0 y que por tanto el tiempo de contacto debiera ser de 4111 = 41 min. Si la dosis aplicada fu~ra de 2 mg/1 para las mismas condiciones el tiempo debiera ser de 46/2 = 23 mm. Tabla XI.12. Rangos de valores Ct para la inactivación de diversos microorganismos por distintos desinfectantes a 5"C según Hoff ( 1986) ~

-

Microorganismos

i

0.34-0.05

Polio 1

Dióxido de cloro pH 6 a 7 1 ~

1 C~-

E. Coli

,!

Desinfectantes Cloraminas preformadas pH 8 a 9

Cloro libre pH 6 a 7

95-180

Ozone pH 6a 7 .~

~~ ~

0.4-0.75

0.02

1.1-2.5

768-3,740

0.2-6.7

0.1-0.2

Rota virus

0.01-0.05

3.806-6.476

0.2-2.1

0.006-0.06

Phage F

0.08-0.18

--

--

--

;

!' :!

G. Lamblia cysts

i

G. muris cysts

i'

~ ·~· i ··~.

~

~

_o

~.e

~~-

Si antes de llegar al primer consumidor no se alcanza el periodo de contacto caben cuatro alternativas: l. Cambiar el punto de aplicación al comienzo de los decantadores o antes de los filtros, para utilizar el tiempo de detención de éstos, si no hay color en el agua u otros precursores de THM_.,.. 2. Construir una cámara de contacto después de la filtración y antes de la alcalinización. 3. Colocar tabiques dentro del tanque de almacenamiento para usarlo como tanque de contacto, siempre y cuando se fije un nivel de agua mínimo en él. 4. Una combinación de estas alternativas.

EL CLORO Y LOS COMPUESTOS ORGANICOS Debido al posible efecto pe1judicial que algunos subproductos de la cloración (en especial los trihalometanos) pueden acarrear a la población, los métodos de aplicación del cloro se determinan hoy en día, no sólo teniendo en cuenta la mayor efectividad en la destrucción de organismos patógenos, sino la menor producción de órgano-dorados y trihalometanos potencialmente peligrosos. La Agencia para la Protección del Ambiente de los Estados Unidos ha fijado para ellos un límite máximo permisible 0.08 mg/1 para los THMs y 0.06 mg/1 para los AHA en el agua de consumo humano. Esta norma, si bien discutible y discutida, implica tomar una serie de precauciones durante la cloración. Los trihalometanos pueden ser clasificados de diferentes maneras así: a. THMl 5 instantáneos que son los que se producen tan pronto como se agrega el cloro al agua. b. THMT; terminales que son los que se determinan en la red de distribución despues de un tiempo t en que se han desarrollado completamente. c. PFTHM5 o potencial de formación de trihalometanos que es el incremento que sufren los THM durante el almacenamiento y se calculan restando de los THMTs los THMis instantáneos.

688

TEORIA DE LA DESINFECCION DEL AGUA

La figura XI-33 esquematiza estos conceptos para mayor claridad. La determinación analítica de los THM5 es relativamente sofisticada pues requiere del uso de cromatografía de gas o medidores especializados que se venden comercialmente. La cantidad de THM5 que se producen depende de la concentración total de precursores presentes en el agua, la cual se relaciona con la concentración del carboño orgánico total. MÓximo

ConcentrociÓnTeórico

de

1

1

1

FRACCION DE THMI 1NSTANT~ NEO.

1

1

1

1

i

1

1

1

1

1

1

FRACCION DE POTENCIA 111 DE FORMACION DE THM

l

1 1

1

1

1

CONCENTRACION TERMINAL DE THMT EN EL TIEMPO t

1

1

1

l

1

RESTO DEl T H M 1

CONCENTRACION

TOTAL DE PRECURSORES

1

Fig. XI.33. Definición de algunas denominaciones de los trihalometanos

La eliminación de los THM5 se puede hacer de varias maneras así: 1. Removiendo los subproductos después de que se han formado. 2. Reduciendo la concentración de orgánicos o la demanda en el agua antes de el orar. 3. Cambiando el cloro por otros desinfectantes alternativos que no producen THMs o minimizan su producción. 1. Remoción de los subproductos formados Es el método más difícil y costoso de los tres, consiste en: a) adsorver los THMs que se hayan formado en lechos de carbón activado granular, reemplazando en los filtros los lechos convencionales por dicho material; b) agregar carbón activado en polvo; e) eliminar por aireacíón los compuestos orgánicos volátiles en torres especiales.

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Estos procedimientos tienen muchos inconvenientes; la filtración en carbón activado granular es difícil de operar y costosa por cuanto se necesita extraer periódicamente todo este medio filtrante, regenerarlo en hornos a alta temperatura y volverlo a colocar. La aplicación continua de carbón activado en polvo es costosa y produce grandes volúmenes de lodos. Además no remueve todos los orgánicos dorados sino algunos de ellos. Por último la aireación forzada extrae sólo los orgánicos volátiles y debe evitarse la transferencia de los contaminantes al aire para lo cual conviene usar carbón activado granular. Por tanto en lo posible hay que evitar que se produzcan los trihalometanos en las plantas de tratamiento.

2. Reducción de la concentración de orgánicos antes de dorar Resulta buena práctica bajar la concentración de orgánicos, lo que implica bajar la demanda en el agua antes de aplicar cualquier oxidante fuerte porque esto implica bajar la concentración de precursores. La dificultad radica en cómo hacer esta reducción. Existen varias alternativas. - Cuando se puede y hay un área disponible, la construcción de embalses de pretratamiento, con uno o varios días de periodo de detención puede ser útil, siempre y cuando se controle el crecimiento de algas. En algunos casos se logran oxidar los orgánicos inyectando compuestos no dorados como el ozono, el permanganato de potasio o el peróxido de hidrógeno. Si es posible tener un embalse para pretratamiento la aplicación de tales oxidantes resulta muy efectiva. Otro proceso bastante conveniente es predesinfectar con un compuesto no productor de THM5 como el ozono o el dióxido de cloro, efectuar luego un tratamiento muy eficiente de coagulación, sedimentación y filtración y por último agregar el cloro. Efectuar en la planta la coagulación no solo de las partículas de turbiedad sino también de las orgánicas con el objeto de reducir el COT y el COD, como se explicó en el capítulo 2. Alternativa o simultáneamente, producir biofiltración en arena y antracita, antracita sola o carbón activado granular, como se describió en el capítulo 9. En muchas plantas ha dado resultado intercambiar los puntos de aplicación de la pre y postcloración, por ejemplo colocar la precloración después de la sedimentacion y antes de la filtración o suprimir la precloración por completo cuando los THM5 son producidos solamente por los ácidos húmicos del color pero no hay problemas ni de algas en los tanques ni alta cóntaminación bacteria!. En este caso se debe realizar un muy eficiente proceso de remoción de partículas por medio de la coagulación-floculación. Agregar carbón activado en polvo para adsorber los precursores orgánicos volátiles o tratar de eliminarlos por aireación, antes de dorar.

3. Cambiar el desinfectante Desgraciadamente no existe ningún desinfectante alternativo que, a igualdad de costo, pueda competir en eficiencia con el cloro. Si lo hubiera ya lo habría reemplazado. Todos los desinfectantes alternativos son o más costos o menos eficientes. Hay que tener en cuenta que la cloración se hace primariamente para destruir los organismos patógenos y la aparición de subproductos potencialmente dañinos es un problema colateral que no hay que enfatizar demasiado, pues la peligrosidad de tales subproductos no está debidamente establecida. Los desinfectantes alternativos son los siguientes:

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Ozono. El más eficiente bactericida y viricida pero requiere equipos muy caros, difíciles de operar y de alto consumo de energía. El ozono puede usarse como desinfectante, como oxidante o como ayudante de coagulación y filtración para romper las moléculas orgánicas y hacerlas más asimilables a las bacterias. Las condiciones para que se pueda utilizar ozono en un agua son: l. Que haya un suministro de energía confiable durante las 24 horas del día, que nunca o casi nunca se interrumpa y si lo hace sea por muy corto tiempo. 2. Que exista en la planta, personal técnico altamente calificado para manejar los equipos. 3. Que se agregue cloro al final del proceso con el fin de mantener en la red desinfectante residual. Dióxido de cloro. Es tal vez el desinfectante alternativo más popular después del ozono para aguas que contengan grandes concentraciones de precursores que puedan dar origen a trihalometanos. Existen, sin embargo, limitaciones sanitarias (ya explicadas) que reducen la máxima dosis aplicable a 1 mg/1. Como ocurre con el ozono el principal empleo del ClO, es la oxidación de la materia orgánica presente en el agua cruda por reducción, t9) no sólo desaceleran las reacciones químicas entre el cloro y el amoníaco, sino que además inducen la formación de compuestos dorados de baja efectividad. Debe por eso alcalinizarse el agua después de la cloración y no antes de ella. f. Fenoles

La interferencia, sin embargo, que es más detectable por el público y que por eso suele dar origen al mayor número de quejas es el fenol. Este reacciona con el cloro para formar compuestos tales como 2-clorofenol, 2.4-diclorofenol a 2.6-diclorofenol los cuales comunican un típico sabor a yodoformo al agua que se puede detectar en concentraciones muy pequeñas, del orden de 0.002 mg/1. Esto quiere decir que 2 g podrían darle mal gusto a un tanque de almacenamiento de 1,000 m3 • La intensidad del sabor del clorofenol cambia con el pH y el tiempo, como lo muestra la figura XI-34. Para la misma concentración de fenol (0.050 mg/1), a menor dosis de cloro (0.2 mg/1), mayor intensidad del olor, el cualpermanece a elevados niveles por largo tiempo. En cambio a mayor dosis (1.0 mg/1) el olor se produce más rápidamente pero permanece por menos tiempo. Esto puede deberse al incremento en la velocidad de la reacción, al aumentarse la concentración de cloro en el agua. Por otra parte, la intensidad del sabor, medido como número incipiente, es mayor a medida que aumenta el pH. De lo anterior se deduce que para evitar este problema se puede: l. Clorar a pH bajo. El pH favorable está entre 7 y 8. Por encima de 8 los olores persisten por más tiempo. 2. Poner previamente amoníaco en el agua ya que la reacción del cloro es más rápida con este compuesto que con los fenoles. Esto es viable sólo cuando el agua es poco contaminada o se dispone de largos periodos de contacto. Si ninguno de los métodos anteriores da resultado, debe recurrirse al carbón activado, que puede utilizarse en dos formas: En polvo o granular. La primera es la forma más corriente de usarlo. Se emplean dosis entre 10 y 100 mg/1 según la intensidad del olor que se quiera corregir y se puede aplicar antes de la sedimentación o antes de la filtración, en cuyo caso se aumenta considerablemente la carga de los filtros.

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TEMPERATURA - __ CLORO INICIAL FENOL INICIAL __ CLORO INICIAL FENOL INICIAL

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TIEMPO EN HORAS Fig. XI.34. Olor incipiente del fenol colocado (según Lee) Q)

1.0

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DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

111

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Especial cuidado debe ponerse en el diseño de las estaciones de cloración. En estas, mas que en ninguna otra parte de las plantas de tratamiento, el descuido al proyectar aún detalles aparentemente pequeños, puede traducirse en interrupciones frecuentes en el proceso de desinfección o en fallas en su eficiencia. La cloración del agua tiene tres distintos componentes básicos: l. Almacenamiento del cloro. 2. Sistema de medición y control. 3. Sistema de inyección. En estaciones grandes estos tres componentes pueden quedar separados. En las pequeñas, por lo general, están muy próximos. El cloro se puede almacenar como líquido, medirse como gas, y aplicarse como solución, o puede almacenarse y aplicarse en alguna de sus sales, lo que se llama hipocloración.

Capacidad de las estaciones de cloración La capacidad de las estaciones de cloración depende de una serie de factores entre los cuales deben considerarse los siguientes: a. Demanda de cloro del agua. b. Dosis de cloro necesaria para la desinfección .. c. Punto de aplicación del cloro. La demanda debe determinarse en el laboratorio para poder conocer el consumo de cloro que produce el agua durante los diferentes períodos del año. Esta demanda

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varía de acuerdo con la contaminación de la fuente, del contenido de materia orgánica de la misma y de otros factores que se analizaron a su debido tiempo. Para determinar la dosis de cloro promedio en base a la cual se va a solicitar el equipo, deben estudiarse los siguientes factores: a. Tiempo de contacto disponible (relación concentración-tiempo). b. Puntos posibles de aplicación (precloración, poscloración). c. Modo como se va a el orar el agua (sobre el punto de quiebre, cloraminación, supercloración y declaración). d. Eficiencia que se busca de la cloración (destrucción de coliformes, de quistes o de virus). Los factores anteriores deben estudiarse en base a consideraciones económicas y con la ayuda de pruebas de laboratorio, a fin de poder llegar a conclusiones acertadas sobre la mejor forma de aplicación del cloro al agua. Los aparatos doradores vienen por lo general calibrados en kilogramos o libras por día o en kilogramos o libras por hora. La capacidad en kg/día puede calcularse en la siguiente forma:

QxC Capacidad=-1000

(XII-I)

En donde, Q = Flujo de la planta , en m3 /día C = Dosis de cloro promedio, en mg/l

Ejemplo: Se quiere diseñar un sistema de eloración para una planta de tratamiento cuya capacidad es de 2.5 ntls y a la cual se le piensa instalar un sistema de pre y pose!oración. El sistema de precloración, de acuerdo con ensayos de laboratorio, requiere de 3.2 mg/1 para poder mantener residual a través de los procesos de coagulación y sedimentación en la planta de tratamiento. Para el sistema de poscloración se ha calculado que con 0.5 mg/1 se puede llegar a tener suficiente residual después de 5 horas de tiempo de contacto. Se desea conocer la capacidad necesaria de los equipos doradores.

Respuesta: 2.5 m3ls x 86400= 21'6000 m 3!día

a. Sistema de precloración Habiéndose encontrado como dosis promedio de precloración el valor de 3.2 mg/llos equipos deben conseguirse para el doble de esa dosificación, esto es para 6.4 mg/1. En consecuencia la capacidad de ellos deberá ser: 2 160 0 0 6 Capacidad= - - - - - _x- -.4 = 13 80 Kgl día 1000

700

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

Como los doradores vienen a veces calibrados en lb/día, el valor podría ser: 1380

3.100 lb/día

0.454 Podrían adquirirse tres doradores de 2,000 lb/día de capacidad de los cuales uno de ellos actuaría como reserva. b. Sistema de poscloración El sistema de poscloración suele también calcularse para dos veces la dosis promedio, o sea para 0.5 x 2 = 1.0 mg/ l. La capacidad de los doradores por tanto deberá ser:

eapacz'dad =

216000 X 1.0 = 216 K g,Id'za 1000

~=476lb/día 0.454

Podrían conseguirse dos doradores de 500 lb/día, uno de los cuales serviría como reserva.

Punto de aplicación del cloro La selección del punto de aplicación es de bastante importancia. Ya sea que se haga predoración o posdoración, el punto que se seleccione para inyectar el Cloro debe ser tal que este no se segregue dentro de la masa líquida y pueda distribuirse con gran rapidez dentro de ella. Selleck y Collins (1970); Selleck, Collins y White (1970); Stenquist y Kaufman (1972); Morris (1971) y otros, han estudiado la influencia de la mezcla rápida en conexión con la aplicación del cloro al agua. Dichos trabajos han sido hechos todos con aguas residuales, pero los resulados podrían aplicarse por extrapolación a las aguas potables. De acuerdo con ellos parece evidente que la rapida dispersión del cloro en la masa de agua, produce un aumento de la eficiencia del proceso, similar al que se obtiene con la dispersión instantánea de los coagulantes. La razón para esto no está todavía muy clara. Se ha sugerido que los residuales que se forman inicialmente en los primeros segundos después de aplicado el cloro, forman compuestos que son mucho más activos que los que aparecen en una etapa posterior. La reacción del cloro con los compuestos nitrogenados es relativamente lenta y podría pensarse que en un primer momento se presentara una mayor concentración de cloro libre, el que es mucho más eficiente como desinfectante que el cloro combinado. Por otra parte, los retromezcladores que ponen en contacto productos recién formados con compuestos formados anteriormente, parecen dar peor resultado que los mezcladores de flujo de pistón que no permiten cortocircuitos. Se ha probado que más del 90% de los organismos que existen en el agua son destruidos durante los primeros segundos después de aplicado el cloro, antes de que este haya tenido tiempo de interaccionar con los compuestos nitrogenados.

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701

La evidencia anterior es suficientemente concluyente como pa_ra que se piense en el diseño de un sistema de mezcla rápida para el cloro, parecido al que se discutió para la coagulación del agua. Este sistema deber ser en lo posible de flujo de pistón. En algunas plantas, sin embargo, se ha podido notar que las turbulencias producidas en el punto de aplicación del cloro, cuando este se encuentra en canal abierto, estimulan el escape de gas. Esto puede deberse a varios factores, entre los cuales pueden mencionarse la excesiva concentración de la solución de cloro proveniente de los el oradores (mayor de 3,500 mg/1) y las fallas en el funcionamiento de los di fusores.

Almacenamiento y transporte del cloro gaseoso El cloro se expende en cilindros metálicos resistentes de 100 lb (50 kg), 150 lb (75 kg) y 2,000 lb (1 000 kg), o en carrotanques especiales de 1O, 15, 20 o más toneladas. Las características de estos cilindros se dan en la figura XII-1 y en la tabla XII-l. De los cilindros y carrotanques se puede extraer indistintamente líquido de la parte inferior y gas de la parte superior, según sea la salida que se escoja. Cuando se extrae gas, disminuye la temperatura del recipiente y a veces aparece escarcha por condensación de la humedad en la superficie, lo que obliga a limitar el volumen de gas que se obtiene así: para los cilindros de 100 lb (50 kg), 11 kg/d; para los de 150 lb (75 kg), 18.2 kg/d; y para los de tonelada, 182 kg/d. Este valor cambia con la temperatura ambiente, a menor temperatura, menor volumen de gas se puede sacar. Por tanto, el número de envases de cloro que se use dependerá básicamente del máximo flujo que se pueda obtener de cada uno. El número de cilindros que se debe mantener en la planta depende del grado de facilidad y confiabilidad del suministro de cloro en el país. La reserva puede ser de 8 a 30 días según el caso. A esta reserva hay que agregarle un cierto número de unidades para tener en cuenta los cilindros que están en espera de ser transportados hast::t la fábrica o los que están en camino, yendo o viniendo de ella. Si Q es el consumo de cloro, en kg/día; t e! tiempo de almacenaje, en días, considerado seguro y C la capacidad del cilindro de cloro (75 kg o 1000 kg), el número N de cilindros que deben adquirirse se podría hallar con la siguiente expresión: N= 1.

25 Qt +K

(Xll-2)

5 K

Coeficiente que varía de 2 a 12 según el tamaño de la planta de tratamiento y el número de unidades vacíos y en transporte. Tabla XII.l. Características de los cilindros de cloro

Peso del contenido del cilindro.

Peso del cilindro solo.

Peso total del cilindro.

Máximo flujo de cloro que se puede extraer de un cilindro.

lb

Kg

lb

Kg

lb

Kg

lb/día.

K_g(día

100 150 2000

50 75 1000

73 90-130 1500

33 40-59 680

173 240-280 3500

83 115-134 1680

26 40 400

11.7 18.2 182

702

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

En base a estos datos se puede establecer el espacio disponible que__se necesita dejar para almacenaje y la forma de hacerlo. Cuando se trata de cilindros pequeños de 50 y 75 kg, cuyo peso total lleno es de 83 a 117 kg, el manejo de los envases puede hacerse manualmente. En cambio, cuando se usan cilindros de una tonelada, cuyo peso total lleno alcanza a 1680 kg, se necesita emplear poleas montadas sobre rieles y ganchos especiales, como lo muestra la figura XII-l.

PRESION EN LOS CILINDROS CAPERUZA PROTECTORA

FUSIBLE

5.3 a 6.3

POLEAS PARA MOVER CILINDROS DE UNA TONELADA

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SoluciÓn de Cloro Abastecimiento de Aguo

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TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIACACION DEL AGUA

717

Del Abastecimiento de cloro

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SoluciÓn de Abastecimiento de

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718

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

3. Equipo para tapon3miento de fugas El Instituto de Cloro de los Estados Unidos fabrica diferentes tipos de herra mientas que vienen en sus cajas especiales y sirven para el taponamiento de fugas, tanto en cilindros de 150 lb como en los de tonelada. Deben especificarse por lo menos dos equipos. 4. Botellas de amoníaco La botella de amoníaco es la forma más antigua y probablemente más común de detectar las fugas de cloro. Al destaparla y acercarla a los posibles escapes, se producen humos blancos que evidencian la presencia de dichos escapes. Por eso una cuidadosa inspección de las tuberías y demás elementos del cuarto de cloración con la botella de amoníaco, puede ser de mucha utilidad. Debe tenerse presente que las fugas de cloro cuando empiezan pueden ser muy pequeñas pero a medida que continúan la formación de ácido clorhídrico en el punto de la fuga va corroyendo el metal y ensanchando la abertura cada vez más. De ahí que sea tan necesario detectarlas en sus comienzos, antes de que puedan producir daños más graves.

Toxicidad del doro El cloro es altamente tóxico para el organismo humano y no áebe por eso inhalarse por ningún motivo, en especial por períodos prolongados. La tabla XII-3 incluye los efectos fisiológicos de varias concentraciones de cloro en el aire. Tabla XH.3. Efectos fisiológicos de varias concentraciones de cloro en el aire

Dosis en el aire mg/1 Cantidad de cloro que produce signos ligeros de envenenamiento después de varias horas de exposición.

l. O

Cantidad mínima que se puede detectar por el olor.

3.5

Máxima ca~tidad que puede ser respirada por una hora sin consecuencias graves.

4.0

Dosis mínima que causa irritación de la garganta.

15.1

Dosis mínima que causa tos.

30.0

Dosis que puede producir intoxicación grave en 30 a 60 minutos. Dosis mortal en pocos segundos.

-

40-60 1000

Análisis de cloro residual Desde principios del siglo se han venido desarrollando diferentes métodos .analíticos para la determinación de la concentración de cloro en el agua. Los más antiguos son el yodométrico y el de la ortotolidina. En la actualidad contamos con más de diez métodos. Véase la tabla XII-4. La descripción detallada de estos y otros más, se encuentra en buen número de libros y manuales y en especial en los "Standard Methods for the examination ofWater and Waste Water", de forma que no vamos a entrar a discutirlos a espacio.

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

719

Debe ponerse especial cuidado a los límites y las interferencias que cada método tiene y que si no son debidamente compensados (cuando esto es posible) producen errores apreciables. Por desgracia es frecuente que muchos operadores e ingenieros adopten en las determinaciones de campo un procedimiento rutinario que lo aplican en todos los casos sin el menor cuidado por las variables que pueden invalidar el ensayo que están ejecutando. Hay métodos, como por ejemplo el yodométrico que sólo debe usarse para concentraciones mayores de 1.0 mg/l. otros como el de la ortotolidina que puede quedar seriamente interferido por la presencia de hierro, nitratos y sobre todos manganeso. El estudio, por tanto, de la calidad del agua con la cual se va a utilizar un determinado método de análisis es impredecible, si se quieren obtener resultados confiables. En la actualidad el método mas usado es el DPD (Dietil-p-Fenilene Diamine) que sirve para determinar no solo cloro total sino diferenciar entre libre y combinado, y el amperométrico. La ortotolidina debe descartarse por ser una sustancia cancerígena, además de su imprecisión.

Analizador automático de cloro residual Dada la importancia de mantener un adecuado residual de cloro en el agua, el uso de analizadores automáticos de cloro residual puede ser conveniente en los siguientes casos: a. Cuando el gasto que se trata es variable de hora en hora. b. Cuando la demanda de cloro cambia frecuentemente durante el día. c. Cuando la contaminación de la fuente de agua es muy grande (>20000 coliformes). Tabla XII.4. Métodos más conocidos para la determinación del cloro residual

Método

Determina

DPD

Cloro total Cloro libre Cloro combinado Monocloramina Dicloramina Tricloruro de N.

l. Dietil-pPor titulación. fenilene Diamine Por colorimetría. (DPD). 2. Solución tampón de fosfato. 3.Toduro de potasio. 4. Solución de sulfato ferroamoníaco;

Reactivos

Oxidas de manganeso. (puede compensarse) pH entre 6.2 y 6.5

Cloro total

Ortotolidina (ácido).

Por colorimetría.

Color y turbiedad >0.3 mg/lt Fe >0.01 mg/lt Mn >0.1 mg/lt (Nítricos).

Cloro libre Cloro total

Ortotolidina (ácido).

Por colorimetría (cloro libre a 1't en 5°seg.)

Color y turbiedad >0.3 mg/lt Fe >0.01 mg/lt Mn >0.1 mg/lt (Ni tricos).

Cloro libre Cloro combinado Cloro total

Ortotolidina (ácido). Solución de arsenito de sodio.

Por colorimetría. Por fotometría.

Color (puede compensarse)

Procedimiento

OT (ácida)

OT (Fiahntest)

OTA

Interferencias

720

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

Tabla XII.4. (Cont.) Métodos más conocidos para la determinación del cloro residual

Método

Determina

Reactivos

Procedimiento

Interferencias

Cloro combinado Cloro libre Monocloramina Dicloramina Clor total Tricloruro de N.

Por fotometría. OT neutra Solución de yoduro de potasio. Estabilizador tampón. Solución de arsenito de sodio.

Color natural turbiedad Mn (pueden compensarse)

Clor libre Cloro combinado Cloro total A m pero métrico Monocloramina Dicloramina

Oxido de Por titulación amperométrica. fenilarsine. Arsenito de sodio. Yoduro de potasio. Soluciones tampones.

NCI3 Dióxido de cloro Halógenos libres Cobre Plata

Cloro total

Yoduro de potasio Por titulación. Almidón. Tiosulfato de sodio. Acido acético glacial.

Fe Mn N (nítricos)

Cloro libre

Indicador de syringaldalzine.

Por fotometría. Por colorimetría.

Cloro libre Cloro combinado Cloro total

Indicador de violeta de leucosristal. Soluciones tampones.

Por fotometría. Por colorimetría.

SNORT

Yodo métrico

Syringaldazine Violeta de leuco-cristal

Cloro libre Cloro combinado Anaranjado de Cloro total

metilo

Solución d~ anaranjado de metilo.

Mn+++ Cloruros (> 100 mg/lt)

Por colorimetría.

Cloruros {> 1000 mg/lt) Bromuros Mn +++(0.3 mg/lt) Fe+++{>IO mg/lt) Nitritos {> 1O mg/lt)

d. Cuando se quiere mantener registros pennanentes del cloro residual del agua. e. Cuando se desea obtener residuales de cloro libre ( cloración sobre el punto de quiebre). f. Cuando existe una combinación de los factores anteriores. Existen diferentes tipos de analizadores: el amperométrico, el voltamétrico, el polarográfico y el potenciométrico, unos miden solo cloro total, otros cloro libre y/o combinado. Inicialmente, se usó el colorimétrico (ortotolidina) que se abandonó. Siendo el analizador de cloro un equipo delicado, que requiere buena calibración y mantenimiento, solo debe instalarse donde esto es posible. El amperométrico hace la detenninación por medio de dos electrodos montados en una celda por donde fluye el agua que se quiere analizar. La celda produce una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración de cloro. Esta corriente es medida y trasladada a un indicador. Con estos equipos se puede detenninar en fonna separada el cloro libre y el cloro combinado. El uso de los analizadores automáticos tiene dos ventajas principales:

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

721

a. Permite mantener un registro permanente de la concentración de cloro residual del agua, lo que facilita grandemente la supervisión y control del proceso de desinfección. b. Hace posible la operación automática de los doradores como se explicó antes.

Sistemas de operación de los doradores La operación de los el oradores puede hacerse manual o automáticamente. Véase la tabla XII-" 'Tabla XII.5. Sistema de control de los doradores

Método Manual

Automático

Sistemas de Contro! l. Operación simple con determinación ocasional de cloro residual. 11. Operación con analizador permanente y alarmas.

111. Ajuste de dosis proporcional a flujo tratado (circuito abierto IV. Ajuste de dosis proporcional a la demanda como flujo tratado (circuito compuesto). V. Ajuste de dosis proporcional tanto a la demanda como al flujo tratado (circuito compuesto).

l. La operación manual simple (tipo 1). Consiste en ajustar el aparato dorador para que inyecte una dosis fija y predeterminada de cloro, la cual se chequea cada cierto tiempo haciendo en laboratorio análisis de cloro residual. Manualmente se corrige la cantidad que se está aplicando, cuando se considera conveniente. Este tipo de operación requiere la determinación por parte del operador de dos parámetros: demanda de cloro y caudal de la planta. Su uso por eso se recomienda cuando estos dos parámetros no varían con frecuencia, de forma que los ajustes periódicos del clorador pueden hacerse manualmente con facilidad. También se recomienda en plantas de tratamiento pequeñas donde métodos más complejos de control están condenados al fracaso. Véase figuraXII-14. 2 La operación con la ayuda de un analizador de cloro residual. Permite el uso de alarmas y de cartas registradoras que indican en cualquier momento las fallas en la dosificación de cloro. Esto constituye una forma de vigilancia permanente, de mucha utilidad en las plantas de tratamiento. Este sistema implica también la determinación de dos parámetros por parte del operador: La demanda de cloro y caudal tratado y por tanto su uso es recomendable cuando estos no varían frecuentemente y cuando la operación de la planta es continua. Requiere por otra parte la existencia de personal entrenado en el manejo de analizadores automáticos y que tengan voluntad de utilizarlo y servirse de él. Véase la figura XII-15. 3. La operación automática con sistema de ajuste de la dosis de acuerdo con el caudal tratado. Constituye un método de control de circuito abierto en que las lecturas de presión diferencial registradas por el aparato medidor de flujo son convertidas por un "traductor" en impulsos eléctricos o neumá ticos que modifican la posición del mecanismo regulador del clorador y aumentan, disminuyen o cierran el flujo del gas en él.

722

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION DETERMINACION DE DOSIS

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Fig. XII.14. Operación manual del dorador (sistema de control 1)

CLORADOR

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ANALIZADOR DE CLORO

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M~diciÓn del caudal

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Fig. XII.15. Operación manual del el orador con analizador automático de cloro y alarmas (sistema de control Il)

Este método es muy conveniente cuando no hay rápidas variaciones de la demanda, pero sí interrupciones frecuentes en el abastecimiento de agua o fluctaciones constantes en el caudal tratado, como sucede a menudo en las estaciones de bombeo de pozos profundos. Aquí la única determinación que el operador debe ejecutar es la de la dosis de cloro. Véase la figura XII-16. 4. La operación con ajuste automático de la dosis de acuerdo con la determinación de cloro residual. Es un método de control de circuito cerrado, en el que 15 a 30 s después de inyectado el cloro es tomada una muestra continua de agua, analizada por el equipo de cloro residual, y modificada o no la rata de flujo del dorador. Su uso es recomendable en los casos en que el gasto dado por la planta no varía mayormente, pero la demanda de cloro sí. En tales circunstancias, el manteniemiento del residual de cloro puede ser muy difícil, en especial

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

723

DETERMINACION DE DEMANDA CLORADOR

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CONVERTIDOR DE DIFERENCIAL

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Fig. XII.l6. Cloración con circuito abierto (sistema de controllll)

cuando se quiere el orar sobre el punto de quiebre (con cloro libre). El único ajuste que el operador tiene que hacer manualmente es el debido a variaciones grandes en el caudal tratado o suspensiones del servicio, pero le permite fijar una dosis de cloro residual libre o combinado y mantenerla automáticamente. Véase la figura XII -17. CLOR ADOR

ANALIZADOR DE CLORO

SEÑAL ELECTRICA

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Fig. XII.17. Cloración con circuito cerrado (sistema de control IV)

5. La operación con ajuste automático proporcional tanto al caudal tratado como a la determinación de cloro residual. Es un sistema compuesto de control que combina los tipos III y IV. El orificio de regulación del dorador es operado tanto por los diferenciales de presión del sistema de aforo, como por el analizador de cloro de acuerdo con la demanda. El sistema compuesto puede ser eléctrico o neumático según el fabricante. Su uso se recomienda en plantas de tratamiento grandes en donde existen frecuentes fluctuaciones tanto en el caudal tratado como en el contenido. de amoníaco y materia orgánica del agua.

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

724

El funcionamiento del equipo es totalmente automático y la intervención del operador se limita a la vigilancia general del sistema. Como se ve en los métodos de operación descritos, existen diferentes grados de mecanización. Para decidir sobre cuál alternativa conviene más el ingeniero debe hacer un análiis detallado (a}de las condiciones en que van a quedar instalados los doradores; (b) del personal que los va a man~jar y (e) de la calidad del agua por tratar. La operación manual simple tiene un mínimo de mecanización, pero un máximo de intervención personal. El uso de analizadores permanentes de cloro residual mejora la supervisión del proceso pero introduce un equipo que hay que calibrar y mantener. El método del circuito abierto automatiza los arranques y paradas del dorador, pero deja al criterio del operador la fijación de la dosis. El método del circuito cerrado, en cambio, automatiza la dosis pero deja al operador la apertura o cierre del dorador. El método del circuito compuesto automatiza la operación total del dorador, pero implica la supervisión y mantenimiento de un equipo complejo y delicado.

CLORADOR

ANALIZADOR DE CLORO

SEÑAL ELECTRICA

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CONVERTIDOR DE DIFERENCIAL

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15 a 30 Mfi!undos

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Fig. XII.18. Cloración con circuito compuesto (sistema de control V)

Consideraciones prácticas sobre el diseño de salas de cloración Para diseñar una sala de cloración deben estudiarse los siguientes puntos: l. La dosis óptima en relación con la demanda y la relación concentración-tiem po. 2. El consumo diario así como el método de cloración más conveniente y el equipo necesario. 3. El almacenamiento de cloro de acuerdo con el número de cilindros y su tonelaje. 4. Los espacios o áreas que debe tener la sala de el oración. 5. Los métodos para sortear las emergencias y los equipos usados en ellas.

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725

6. Puntos de inyección del cloro y su forma. 7. Métodos de operación de los equipos (manual, automático, semiautomático, etc.). 8. Plomería para el transporte de cloro. Vamos a hacer un breve análisis de cada uno de estos puntos: 1. Dosis óptima Lo primero que hay que entrar a estudiar es si el agua requiere pre y postcloración o solo postcloración. Esto depende de las características de la fuente. Aguas altamente contaminadas con NMP/1 00 ml de coliformes superiores a 5000 deben siempre preclorarse. La precloración, sin embargo, puede ser interferida por el color, cuando es alto porque se producen trihalometanos. Para evitarlos se puede usar cualquiera de las soluciones sugeridas en el capítulo anterior. También debe emplearse la precloración cuando hay excesiva producción de· algas en la planta. La postcloración debe usarse en todos los casos. Las dosis dependen de la demanda de cloro en la red. Redes extensas en las que el agua tiene un largo período de detención requieren por lo común dosis iniciales mayores que redes cortas. Para determinar la dosis óptima, en estos casos, se deben realizar pruebas de laboratorio agregando las cantidades crecientes de cloro al agua tratada y midiendo su concentración a través del tiempo. La dosis óptima sería la que produzca un residual de cloro libre de O, 1 mg/1 al final del período de contacto. Si lo anterior no fuera económicamente viable porque las concentraciones iniciales resultaron muy altas, es necesario proyectar recloraciones en puntos seleccionados de la red. Por otro lado, las dosis deben fijarse en base a la relación concentración-tiempo, escogiendo de antemano los organismos objetivo que se quieren eliminar como se explica en el capítulo XI. Por lo general éstos organismos son los coliformes, pues resulta muy costoso inactivar virus y protozoarios por medio de la desinfección química. En los casos eu que la presencia de los últimos se considera altamente probable, deberán optimizarse los efluentes de la filtración, reduciendo a menos de 0,5 UNT la 'turbiedad y aún de O, 1 UNT.

2. Cálculo de consumo diario Conocida la dosis óptima es fácil calcular el consumo diario de cloro. El procedimiento de cálculo se dio al comienzo del presente capítulo. Para consumos diarios pequeños, menores de 5 kg/día casi siempre es más fácil recurrir a los hipocloritos. Esta norma no es absoluta ya que en ciertos lugares o no se consiguen los hipocloritos o son muy costosos o de dificil consecución. Para medianos y altos consumos diarios lo más económico es el cloro gaseoso. Los aparatos de cloro gaseoso suelen venir calibrados en lb/día o lb/hora de ·capacidad desde 100 hasta 10.000. Debe escogerse el equipo del tal manera que el consumo promedio de la estación coincida con el valor medio de la escala del rotámetro. Por ejemplo, si el promedio de consumo es 5000 lb/día el aparato debe estar en capacidad de medir desde 2000 hasta 8000 lb/día. No es conveniente que el trabajo de los doradores se haga en los límites superior o inferior de las escalas porque la medida carece de precisión.

726

DISEÑO DE ESTACIONES DE CLORACION

3. Almacenaje y transpone El aímacenaje de cloro depende del consumo diario. Los hipocloritos vienen empacados en canecas como líquido o polvo. Debe dejarse para ellos un espacio de almacenaje no inferior a dos meses de consumo. El cloro se lo puede comprar en tres formas: En cilindros de 100 a 150 lb (50 a 75 kg), en cilindros de 2000 lb (1000 kg) o en carrotanques de 10 a 50 toneladas. La selección entre una y otra forma de despacho depende del consumo de cloro. Plantas de 1O a 150 lis qu~ requieren menos de 40 kg/d de cloro pueden usar cilindros de 100 a 150 lb. En cambio plantas mayores de 150 lis con consumos superiores a 40 kg diari-óspueden usarse recipientes de una tonelada. En general no es conveniente diseñar salas de cloración que tengan que manejar más de 60 cilindros entre lienos y vacíos porque resulta incómodo de operar. Para mas de 1000 kg/d deben incluirse evaporadores. Para instalaciones muy grandes vale la pena considerar el transporte por carrotanques, evitando en lo posible los trasbases desde éstos, hasta cilindros de una tonelada. El carrotanque se conecta directamente a los evaporadores con gran ahorro tanto en espacio como en tiempo. Su uso debe estudiarse para consumos de mas de 2 toneladas diarias. Lo que se economiza en estructura y facilidades de manejo de cilindros se lo utiliza en la compra de los carrotanques. El número de cilindros se puede calcular con la ecuación XII-2 ya incluida. El tiempo de reserva de cloro es función de la facilidad con que se consiga éste producto en el país. Con buenas carreteras y expedito suministro, 15 a 30 días de reserva pueden ser suficientes. En caso contrario, deben estimarse tiempos de 30 a 90 días.

4. Area de cloración y ubicación El a. b. c. d.

área de la sala de cloración depende: Del número de cilindros. Del número de aparatos doradores requeridos. De si se necesita la instalación de evaporadores. Del sistema de manejo que se adopte tanto para los cilindros como para los el oradores. 1

En general conviene más proyectar la sala de cloración en una estructura separada del resto de la planta debido a los peligros involucrados en la utilización del cloro. Puede dejarse abierta por los cuatro lados para conseguir una buena ventilación, punto fundamental que rara vez se obtiene ubicándola dentro del edificio de administración. Es esencial evitar las fugas de cloro líquido, porque producen grandes cantidades de gas durante largo tiempo, lo que implica un grave riesgo para los operadores. Deben por eso diseñarse espacios amplios bien ventila dos y con fácil maniobrávilidad para los equipos. El área total de una sala de cloración se compone de las siguientes partes: a. Area de cargue y descargue. Debe permitir la entrada de vehículos pesados dejándoles espacio para que puedan evolucionar sin obstrucciones cuando lleguen a dejar su carga. Hay que tener en cuenta que un camión puede tener

TEORIA Y PRACTICA DE LA PURIFICACION DEL AGUA

727

entre 2 y 3 metros de ancho por 5 y 1Ometros de largo o más, según el número de cilindros que transporte. Para facilitar el manejo de estos, la plataforma del vehículo debe quedar al mismo nivel del piso de la sala de cloración. Esto implica que el nivel de esta debe estar a unos 0,90 m por encima del terreno. b. Area de almacenaje. El área de almacenaje de cilindros debe calcularse para que la totalidad de ellos pueda quedar bajo techo protegidos de los rayos del sol que los pueden calentar e inducir explosiones de los tapones fusibles por exceso de temperatura. Los cilindros de 50 a 75 kg se colocan de pie y el área requerida es menor pues su diámetro es de sólo unos 0,25 a 0,30 m por lo que pueden colocarse unos al lado de otros, amarrados para que no se caigan. Los cilindros de tonelada tienen 2 a 2,10 m de largo por 0,85 a 0,75 m de diámetro y deben colocarse horizontalmente sobre muñoneras o vigas de madera que en lo posible permitan su rotación. Los cilindros llenos no deben quedar colocados unos sobre otros, sino en una o dos hileras con un corredor intermedio de 1.5 a 1.'8 m de longitud. A los lados de los cilindros el techo debe volar unos 2 a 3 m. Esto hace que el ancho del edificio para una fila de cilindros sea como mínimo de 6 m y el de dos filas de 1O m. La longitud depende del número de cilindros. La distancia entre sus ejes debe hacerse de 0,95 a 1 m. Cuando se usa patio descubierto de maniobra para carrotanques se debe dejar espacio para colocar tres unidades: dos para servicio y uno para transporte. En este caso se suprime por completo el área de almacenamiento de cilindros y solo se proyecta la sala de evaporadores y doradores. En algunas plantas, sin embargo, como medida de precaución, se deja un área de reserva para utilizar cilindros en caso de emergencia. c. Area de pesado. Frente a la zona de almacenamiento de cilindros se colocan 1 o 2 básculas para la pesada de los recipientes. Las básculas vienen para 1 o 2 cilindros y son estos los que se conectan directamente a los doradores. Cuando son más de cuatro que hay que mantener conectados para alimentar los el oradores es preferible, como se dijo anteriormente, colocar evaporadores y extraer de ellos cloro líquido y no gaseoso. Las básculas deben quedar libres con amplio acceso por tres de sus lados.

d. Area de evaporadores. En esta área, al igual que la de almacenaje, se maneja cloro líquido que es mucho mas peligroso que el gaseoso. Por eso, en lo posible se debe mantener aislada del resto y el piso drenado por medio de canaletas que confluyan a un tanque de soda caustica. Lo importante es sacar lo mas rápidamente posible la fuga líquida. En la misma sala de evaporadores deben ubicarse en lo posible las tuberías y válvulas con cloro a presión, las cuales también pueden dar origen a escapes. e. Area del cuarto de doradores. El cuarto de doradores debe quedar cerrado con puerta independiente y con una ventana para mirar las básculas o la sala de evaporadores, si la hay. Sin embargo, hay que dejarle ventilación forzada con extractor a nivel del piso (porque el cloro es más pesado que el aire). Puede admitirse también ambi~ntación natural siempre y cuando sea-en d