Descripción: Se describen los procesos de tratamiento para obtener agua potable y purificada. Además un ejemplo de cálcu...
DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN DISEÑO DE UN TREN DE TRATAMIENTO TERCIARIO AVANZADO PARA OBTENER AGUA EMBOTELLADA
TESIS PROFESIONAL
QUE COMO REQUISITO PARCIAL
PARA OBTENER ÉL TITULO DE: INGENIERO EN IRRIGACIÓN PRESENTAN:
JUAN MARTÍNEZ JOSÉ SOLORIO ELIZALDE NAHIELLI
Chapingo, México Marzo del 2003
C Coonntteenniiddoo Índice de Tablas ................................................................................................................... vi Índice de Figuras .................................................................................................................viii Resumen ................................................................................................................................. ix Summary ................................................................................................................................. ix II.. IInnttrroodduucccciióónn .......................................................................................................................................11 IIII.. O Obbjjeettiivvooss .............................................................................................................................................33 Objetivo General .........................................................................................................................................3 Objetivos Particulares .................................................................................................................................3
IIIIII.. R Reevviissiióónn ddee LLiitteerraattuurraa .................................................................................................................44 III.1 Antecedentes .....................................................................................................................................4 III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua. ......................................................................4 III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en México ......................................................5 III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua ....................................................................................5 III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma Chapingo. ..........................................7 III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores .........................................................................................7 III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas .....................8 III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua. ...............................................................8 III.2 Parámetros de Calidad de las Aguas ..............................................................................................9 III.2.1 Caracterización del Agua ..............................................................................................................9 III.2.1.1 Parámetros físicos ................................................................................................................10 III.2.1.2 Parámetros químicos............................................................................................................12 III.2.1.3 Parámetros biológicos ..........................................................................................................19 III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos ..................................................................................................20 III.2.1.5 Parámetros radiológicos .......................................................................................................20 III.3 Sistemas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano .......................................................21 III.3.1 Filtración ......................................................................................................................................21 III.3.1.1 Generalidades ......................................................................................................................21 III.3.1.2 Mecanismos de remoción ....................................................................................................22 III.3.1.3 Descripción de la filtración ...................................................................................................22 III.3.1.4 Sistemas de filtración ...........................................................................................................23 III.3.1.5 Variables del proceso de filtración .......................................................................................23 III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar ....................................................................................23 III.3.1.5.2 Características del medio filtrante .................................................................................24 III.3.1.5.3 Velocidad de filtración ....................................................................................................24 III.3.1.6 Hidráulica de la filtración ......................................................................................................24 III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos ...................................................................................27 III.3.1.8 Filtración en medio granular .................................................................................................28 III.3.1.9 Lavado de filtros ...................................................................................................................28 III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente .......................................................................29 III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial ............................................30 III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente .................................................................30 III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente .............................................30 III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros ...........................................................................................31 III.3.1.11 Selección del medio filtrante ..............................................................................................31 III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante .......................................................................................32 III.3.1.12 Tipos de filtros ....................................................................................................................33 III.3.1.12.1 Filtros de grava ............................................................................................................33 III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo ..............................................................33 Juan -Solorio
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III.3.1.12.3 Filtros a presión ...........................................................................................................34 III.3.1.12.4 Filtros de diatomea ......................................................................................................35 III.4 Tratamiento para Eliminar o Remover el Sabor y Olor ................................................................35 III.4.1 Filtros de Carbón Activado ..........................................................................................................36 III.4.1.1 Definición ..............................................................................................................................36 III.4.1.2 Generalidades ......................................................................................................................36 III.4.1.3 Descripción ...........................................................................................................................36 III.4.1.4 Producción de carbón activo ................................................................................................37 III.4.1.5 Proceso de activación ..........................................................................................................38 III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración del carbón activado .............40 III.4.1.6.1 Oxidación catalítica ........................................................................................................40 III.4.1.6.2 Utilización de microondas ..............................................................................................40 III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento del agua ..............................40 III.4.1.8 Proceso de adsorción ...........................................................................................................41 III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular ......................................................................................44 III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos filtrantes en grano ...........45 III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo ..............................................................46 III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado ......................................................................................46 III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado ...........................................................................46 III.4.1.12 Principales usos del carbón activo .....................................................................................47 III.4.1.12.1 Potabilización ...............................................................................................................47 III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro ........................................................................................47 III.4.1.14 Concentración de cloro ......................................................................................................48 III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón .................................................................................48 III.4.1.16 Extracción de carbón activo ...............................................................................................49 III.5 Tratamiento para el Ablandamiento del Agua ..............................................................................50 III.5.1 Intercambio Iónico .......................................................................................................................50 III.5.1.1 Aspectos generales ..............................................................................................................50 III.5.1.2 Definición ..............................................................................................................................50 III.5.1.3 Principios de funcionamiento ...............................................................................................51 III.5.1.4 Dureza ..................................................................................................................................52 III.5.1.5 Materiales de intercambio ....................................................................................................53 III.5.1.5.1 Zeolitas ..........................................................................................................................54 III.5.1.6 Intercambio y regeneración ..................................................................................................55 III.5.1.7 Resinas sintéticas.................................................................................................................58 III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas. ....................................................................58 III.5.1.8 Selectividad de resinas ........................................................................................................59 III.5.1.9 Tasa de intercambio .............................................................................................................60 III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el tratamiento de aguas ..................60 III.5.1.11 Desmineralización ..............................................................................................................62 III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización ..............................................................64 III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico ...............................................................................................64 III.5.1.13 Cálculo de un suavizador ...................................................................................................64 III.6 Tratamientos para Desinfectar el Agua .........................................................................................65 III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos. ..........................................................................65 III.6.1.1 Luz Ultravioleta .....................................................................................................................66 III.6.1.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................66 III.6.1.1.2 Reseña histórica ............................................................................................................66 III.6.1.1.3 Luz UV ...........................................................................................................................66 III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas.................................................................................67 III.6.1.1.5 Generación de la UV .....................................................................................................68 III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección .........................................................................................69 III.6.1.1.7 Tasas de inactivación ....................................................................................................70 III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis ...............................................................................................71 Juan -Solorio
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III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores ................................................................72 III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección ...............................................73 III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable .....................................................................................75 III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento .........................................................................................75 III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección.....................................................................................76 III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV ..........................................................................................76 III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV ..................................................................................................77 III.6.1.1.16 Ventajas de la UV ........................................................................................................77 III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad .................................................................................78 III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV ............................................................................78 III.6.1.1.19 Guía de instalación ......................................................................................................79 III.6.1.2 Osmosis Inversa ...................................................................................................................80 III.6.1.2.1 Generalidades................................................................................................................80 III.6.1.2.2 Antecedentes científicos ................................................................................................80 III.6.1.2.3 Descripción del proceso ................................................................................................81 III.6.1.2.4 Presión osmótica ...........................................................................................................82 III.6.1.2.5 Osmosis inversa ............................................................................................................83 III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa .........................................................................84 III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana ............................................85 III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis ....................................................................................................85 III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales ............................................................................................86 III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis ..........................................................89 III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas......................................................................................92 III.6.1.2.12 Características de las membranas ..............................................................................93 III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos .......................................................................................94 III.6.1.2.14 Colocación de las membranas ....................................................................................95 III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa...........................................................................................95 III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa .....................................................................................96 III.6.2 Métodos Químicos ......................................................................................................................97 III.6.2.1 Ozonización ..........................................................................................................................97 III.6.2.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................97 III.6.2.1.2 Propiedades del ozono ................................................................................................100 III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono .............................................................................102 III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono ................................................................................105 III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro ............................................................................................................114 III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas ................................................................................................116 III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad ..........................................................................117 III.6.2.1.8 Aplicaciones .................................................................................................................118 III.6.2.2 Cloración ............................................................................................................................120 III.6.2.2.1 Aspectos generales .....................................................................................................120 III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración ..........................................................................120 III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua ..................................................................................121 III.6.2.2.4 Demanda de cloro........................................................................................................123 III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución .......................................................................124 III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro ........................................................................124 III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual .............................................................................125 III.6.2.2.8 Equipos de cloración ...................................................................................................125 III.6.2.2.9 Protección de la salud pública .....................................................................................126 III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección...................................................................................127
IIV V.. M Maatteerriiaalleess yy M Mééttooddooss .................................................................................................................129 IV.1 Localización Geográfica ..................................................................................................................129 IV.2 Clima ...............................................................................................................................................129 IV.3 Estudio de Mercado ......................................................................................................................129
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IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas. .................................................................................129 IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada ............................................................................131 IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de Producción .................................................132 IV.3.4 Determinación de la Demanda .................................................................................................133 IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto .................................................................................134 IV.3.6 Agua Purificada en México .......................................................................................................135 IV.3.7 Comportamiento de la Demanda ..............................................................................................136 IV.3.8 Análisis de la Demanda ............................................................................................................137 IV.3.9 Demanda Actual .......................................................................................................................137 IV.3.10 Proyección de la Demanda ....................................................................................................138 IV.3.11 Estimación de la Oferta ..........................................................................................................139 IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado .................................................................140 IV.3.13 Importancia del Precio ............................................................................................................141 IV.3.14 Comercialización ....................................................................................................................142 IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto ...................................................................................143 IV.3.16 Parámetros de Competitividad ...............................................................................................144 IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el Mercado .........................................144 IV.3.18 Justificación del Proyecto .......................................................................................................144 IV.4 Tamaño de la Planta ......................................................................................................................145 IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros ..........................................................................145 IV.4.2 Presentaciones de 500 ml ........................................................................................................147 IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml ......................................................................................................147 IV.4.4 Localización de la Planta ..........................................................................................................149 IV.4.5 Microlocalización ......................................................................................................................149 IV.5 Ingeniería Básica del Proceso de Purificación de Agua ...........................................................149 IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología Disponible. .................................................150 IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua ............................................................152 IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo .............................................................................................160 IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería .....................................................................................160 IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba ...................................................................................163 IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión .............................................................................164 IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds ................................................................................164 IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión .................................................................................165 IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga...............................................................................166 IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos ........................................169 IV.5.3.2.6 Potencia del motor ......................................................................................................169 IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando ................................................170 IV.5.4 Especificaciones del Equipo .....................................................................................................173 IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo .....................................................................................................174 IV.5.4.2 Filtro de carbón activado ....................................................................................................174 IV.5.4.3 Intercambio iónico ..............................................................................................................175 IV.5.4.4 Osmosis inversa.................................................................................................................177 IV.5.4.5 Radiación ultravioleta .........................................................................................................178 IV.5.4.6 Generador de ozono. .........................................................................................................179 IV.5.4.7 Lavadora de garrafones. ....................................................................................................179 IV.5.4.8 Llenadora de garrafones ....................................................................................................179 IV.5.4.9 Sistema de transporte ........................................................................................................179 IV.5.4.10 Superficie para la instalación ...........................................................................................180 IV.6 Estimación de Costos ...................................................................................................................180 IV.6.1 Constitución de la Empresa ......................................................................................................180 IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra. .......................................................................................181 IV.6.2.1 Descripción del puesto .......................................................................................................181 IV.6.3 Programa de Producción ..........................................................................................................181 IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima ..................................................................................182 Juan -Solorio
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IV.6.4 Estudio Económico ...................................................................................................................183 IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción ...............................................................................183 IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima ......................................................................183 IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año ..........................................188 IV.6.4.1.3 Otros materiales ..........................................................................................................190 IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica ....................................................................................190 IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa .................................................................................191 IV.6.4.1.6 Combustible .................................................................................................................191 IV.6.4.1.7 Mantenimiento .............................................................................................................191 IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad .........................................................................................192 IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción ........................................................................193 IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración ................................................................193 IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta.................................................................................194 IV.6.4.1.12 Costos totales de producción ....................................................................................194 IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa ...................................................................195 IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%...............................................196 IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido .....................................................................196 IV.6.4.1.16 Obra civil....................................................................................................................197 IV.6.4.1.17 Activo diferido ............................................................................................................199 IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido ......................................................................199 IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización .....................................................................................199 IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo .........................................................................200 IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima económica ..................201 IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación ............................................203 IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable hasta el quinto año ...203 IV.6.5 Evaluación Económica .............................................................................................................205 IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin inflación ................................205 IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma Chapingo. .....................................................207
V V.. R Reessuullttaaddooss yy D Diissccuucciióónn.............................................................................................................211 V VII.. C Coonncclluussiioonneess.................................................................................................................................213 V VIIII.. B Biibblliiooggrraaffííaa....................................................................................................................................214 V VIIIIII.. A Anneexxooss...........................................................................................................................................222
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Índice de Tablas Núm. De tabla Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3 Tabla.3.4 Tabla 3.5 Tabla 3.6 Tabla 3.7 Tabla 3.8 Tabla 3.9 Tabla 3.10 Tabla 3.11 Tabla 3.12 Tabla 3.13 Tabla 4.1 Tabla 4.2 Tabla 4.3 Tabla 4.4 Tabla 4.5 Tabla 4.6 Tabla 4.7 Tabla 4.8 Tabla 4.9 Tabla 4.10 Tabla 4.11 Tabla 4.12 Tabla 4.13 Tabla 4.14 Tabla 4.15 Tabla 4.16 Tabla 4.17 Tabla 4.18 Tabla 4.19 Tabla 4.20 Tabla 4.21 Tabla 4.22 Tabla 4.23 Tabla 4.24 Tabla 4.25 Tabla 4.26
Descripción
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Opciones para recuperar el agua contaminada. .......................................................................9 Modelo de resinas comúnmente en mercado. .........................................................................56 Dosis recomendadas y exigidas de UV. ..................................................................................71 Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del agua. ....................79 Porcentaje de rechazo de membranas. ...................................................................................94 Potenciales de oxidación. ......................................................................................................101 Solubilidad del ozono en el agua. ..........................................................................................110 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar. .................................115 Rango de ozono permisible. ..................................................................................................117 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono. ..............118 La constante de ionización Ki varía con la temperatura. .......................................................122 Desinfectantes de agua potable a simple vista. .....................................................................125 Agentes patógenos transmitidos por el agua. ........................................................................127 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país. ..............................130 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado. ...................................132 Comportamiento de consumo de agua en garrafón. .............................................................135 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH ...............138 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes. ....................................139 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH. .........140 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales. ........141 Producción de agua purificada para el primer año. ..............................................................145 Producción estimada para el año 2 al 10. ..............................................................................146 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml. ......................147 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml. ................................148 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado. .....148 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV. .............................................................156 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones..................................................158 Velocidad razonable del agua en tuberías. ............................................................................160 Filtro de lecho profundo de uso comercial. ............................................................................174 Filtro carbón activado de uso comercial................................................................................175 Ablandamiento de uso comercial. ..........................................................................................176 Sistemas de ósmosis inversa comerciales. ...........................................................................177 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales. ...................................................................178 Requerimientos de personal. .................................................................................................181 Materia prima requerida mensualmente para el primer año. ................................................183 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable. ...........................................184 Costo del equipo de bombeo a través de los años. ..............................................................188 Costos de la materia prima y envases. .................................................................................188 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida útil. ..................189
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Tabla 4.27 Tabla 4.28 Tabla 4.29 Tabla 4.30 Tabla 4.31 Tabla 4.32 Tabla 4.33 Tabla 4.34 Tabla 4.35 Tabla 4.36 Tabla 4.37 Tabla 4.38 Tabla 4.39 Tabla 4.40 Tabla 4.41 Tabla 4.42 Tabla 4.43 Tabla 4.44 Tabla 4.45 Tabla 4.46 Tabla 4.47 Tabla 4.48 Tabla 4.49 Tabla 4.50 Tabla 4.51 Tabla 4.52 Tabla 4.53 Tabla 4.54 Tabla 8.1
Otros materiales. ...................................................................................................................190 Equipos que requieren energía eléctrica. .............................................................................190 Costo de la mano de obra directa. ........................................................................................191 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario. ................................192 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada y envasada. .192 Presupuesto de costos de producción. .................................................................................193 Costos del personal administrativo. .....................................................................................193 Costos totales de producción. ..............................................................................................194 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario. .............................................195 Ingresos de la planta a lo largo del año. ...............................................................................196 Activo fijo de producción. ......................................................................................................196 Activo fijo de oficina...............................................................................................................197 Activos diferidos. ...................................................................................................................199 Resumen de costos totales. ..................................................................................................199 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido. ...........................................................200 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................201 Punto de equilibrio para el primer año. .................................................................................202 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................203 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................204 Estado de resultados sin inflación, con producción variable. ...............................................204 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................204 El ingreso diario con $12.2 / garrafón. ..................................................................................205 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH. .....................................................207 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................208 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................209 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................209 Estado de resultados sin inflación, sin financiamiento y producción variable. .....................209 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................210 Límites permitidos de algunas determinaciones. ..................................................................235
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Índice de figuras Núm. de Figura
Descripción
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Figura 3.1 Filtro de lecho profundo. ........................................................................................................34 Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno. .......................................................39 Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. .......................................................................................................43 Figura 3.4 Instalación del ablandador. ....................................................................................................58 Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado. ............................................................................67 Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo. .......................................................67 Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto...............................68 Figura 3.8 Generación de UV..................................................................................................................68 Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis.........................................................................................82 Figura 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa. .............................................................................................84 Figura.3.11 Membranas construidas con poliamida. ................................................................................90 Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. ..............................................................................................90 Figura.3.13 Proceso de membrana fibra hueca. .......................................................................................91 Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. .....................................................................................91 Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. ...................................................106 Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos ..................................108 Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono. .............................................................109 Figura 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja ..............................111 Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección. ......................................................................113 Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda. .......................................................................152 Figura 4.2 Filtros de lecho profundo. ....................................................................................................153 Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado. ..............................................153 Figura 4.4 Filtro de carbón activado. .....................................................................................................154 Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial. ........................................................................................154 Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa. .................................................................................................155 Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial). ..........................................................................................156 Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada. .................................................................157 Figura 4.9 Sistema generador de ozono. ..............................................................................................157 Figura 4.10.a Lavadora de garrafones. ......................................................................................................158 Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3. ...........................................................159 Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible. ...............................................................................159 Figura 4.12 Esquema de bombeo. ..........................................................................................................162 Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP. .....................................170 Figura 4.14 Esquema de bombeo del pozo Yucateco. ...........................................................................170 Figura 4.15 Esquema de ubicación del sistema de producción. ............................................................198 Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción. ...................................................................................202 Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable. ....205 Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH). ......................................................................................................................................................210
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Diseño de un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua embotellada. 1
Arana Muñoz O. 2 Juan Martínez J. 2 Solorio Elizalde N.
RESUMEN
En este trabajo se presenta la información necesaria de los sistemas de tratamiento terciario avanzado que hay en el mercado, filtros de lecho profundo, filtros de carbón activado, intercambio iónico, osmosis inversa, radiación ultravioleta, ozonización y cloración, así como la combinación de estos para obtener un producto que cumpla con los estándares nacionales e internacionales de calidad del agua embotellada comercial. Además, se realiza el diseño de un tren de tratamiento terciario para purificar agua a la Universidad Autónoma Chapingo de acuerdo a su calidad, siendo esencial el análisis financiero sin inflación y sin financiamiento teniendo costos de producción con un precio de venta mínimo de $12.15 y $9.06 por garrafón.
PALABRAS CLAVE: Filtración, carbón, intercambio, osmosis, ozono, cloro, evaluación económica.
Design of a train of advanced tertiary treatment to obtain bottled water. SUMMARY
In this work the necessary information of the systems of advanced tertiary treatment is presented that there is in the market, filters of deep channel, filters of activated coal, exchange ionic, inverse osmosis, ultraviolet radiation, ozone and chlorine, as well as the combination of these to obtain a product that fulfills the national and international standards of quality of the commercial bottled water. Also, this is carried out the design of a train of tertiary treatment to purify water of the Autonomous University Chapingo according to their quality, being essential the financial analysis without inflation and without financing having production costs, with a minimum sale price of $12.15 and $9.06 for carafe. KEY WORDS: Filtration, coal, exchange, osmosis, ozone, chlorine, design, economic evaluation.
1. Profesor investigador del Departamento de Irrigación, UACH. 2. Pasante de la Carrera de Ingeniero en Irrigación.
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I. Introducción El agua es imprescindible para la vida. La necesitan tanto animales y plantas así como el hombre en la agricultura, la ganadería, la industria o la generación de energía. En el hombre constituye el 70% del cuerpo y la utiliza todos los días para satisfacer necesidades fundamentales. A pesar de que se puede vivir con sólo 5 litros o menos de agua al día, generalmente necesitamos mucha más agua para conservarnos saludables; unos 50 litros o más para satisfacer las necesidades personales y del hogar. Pero en los países desarrollados se gasta mucho más, un promedio de 400 a 500 litros por persona diariamente, cantidades que no siempre son un lujo, sin embargo resulta costoso. Las aguas dulces que podemos aprovechar son superficiales, como los ríos, arroyos y lagos; o subterráneas. También se puede captar agua de lluvia en presas de almacenamiento. Desde tiempos remotos, la lluvia ha sido tan escasa e irregular que su aprovechamiento directo es muy difícil, afortunadamente la naturaleza nos permite disponer de ésta durante una parte del año. Posteriormente parte del agua llega hacia las corrientes de agua, otra parte llega a los almacenamientos y otra se filtra en el suelo lentamente hacia los acuíferos. Con la tecnificación de la agricultura, la aplicación de productos químicos afecta la calidad del agua subterránea, debido a que en el proceso del ciclo hidrológico una parte del agua de lluvia escurre y otra se infiltra llevando consigo residuos tóxicos. El abatimiento de los acuíferos por sobre explotación de agua para uso doméstico e industrial, en áreas circundantes de las grandes urbes, ha deteriorado la disponibilidad del recurso por lo que es necesario la construcción de plantas de tratamiento para reutilizar el agua. Garantizar un aporte suficiente de agua no es suficiente para resolver los problemas de suministro, es necesario asegurar que esa agua sea potable, es decir, apta para el consumo humano. De hecho, las grandes ciudades estuvieron expuestas a graves epidemias por transmisión hídrica, hasta que se desarrollaron sistemas eficaces
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de potabilización, que garantizaran a la población un agua con una calidad y en una cantidad adecuadas. El avance de la ciencia y la necesidad de seguir obteniendo agua de mejor calidad, ha permitido que se usen nuevos métodos y equipos para obtener agua a un precio accesible a la población. Por eso en este trabajo se propone un tren de tratamiento terciario para tratar el agua y obtener un producto de calidad, tal que permita su confiabilidad para entrar en el mercado del agua purificada certificada.
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II. Objetivos
Objetivo General Proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua purificada embotellada y ser consumida por la comunidad de la Universidad Autónoma Chapingo.
Objetivos Particulares
Realizar una revisión bibliográfica de los métodos terciarios avanzados que más se utilizan para purificar agua.
Realizar análisis de muestras de agua en diferentes fuentes que serán la materia prima, que mediante los tratamientos terciarios avanzados reúnan las características para embotellar.
Determinar costos de la obra civil.
Determinar la rentabilidad del tren de tratamiento terciario avanzado propuesto.
Contar con un trabajo que apoye la enseñanza y el diseño de un sistema de tratamiento terciario avanzado para purificar agua.
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III. Revisión de Literatura
III.1 Antecedentes III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua La senda del desarrollo económico seguida en este siglo ha afectado drásticamente la cantidad y calidad de los recursos hídricos. De continuar por este camino, en las próximas décadas habrá una enorme disparidad entre la demanda y la disponibilidad del agua. Existe el riesgo de que se produzca una crisis del agua a escala mundial. El agua durante la presente década se ha convertido en una preocupación sin precedentes, por la escasez de recursos de agua dulce para satisfacer la demanda de los 8,500 millones de personas que habrá en el año 2025. Las lluvias anuales en los continentes proporcionan unos 7000 m 3 por persona, pero su distribución desigual en el tiempo y en el espacio hace que sólo parte de este volumen pueda explotarse económicamente, aunque cabe mencionar que el 45 por ciento de ella es absorbida por la demanda existente (Arana, 1996). Actualmente, la cuarta parte de los países del mundo tiene insuficiencia de agua tanto en cantidad como en calidad, con lo cual no cabe duda que un uso más intensivo e inapropiado del recurso aumentará los riesgos para la población y supone una grave rémora para la producción alimentaría, para el desarrollo económico y para la protección de los ecosistemas. Es tan grave la escasez de agua dulce en el mundo que el Banco Mundial advierte que el problema presenta una amenaza para la economía y la salud de 80 países, es decir 40 % de los habitantes de la tierra - más de dos millones de personas—no tienen acceso al agua limpia ni a condiciones sanitarias (Cazares, 1992, citado por Arana, 1996). Algunas investigaciones han estimado que el 80% de todas las enfermedades y el 33% de las muertes en los países en desarrollo están relacionados con la inadecuada calidad del agua y según el estudio del PNUMA (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente) de "cuatro de cada cinco enfermedades endémicas en los
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países en vías de desarrollo se deben al agua sucia o a la falta de instalaciones sanitarias" y la Organización Mundial de la Salud (OMS) informó que las enfermedades ligadas al modo de vida y al ambiente son responsables de las tres cuartas partes de los 49 millones de defunciones que se producen en el planeta cada año, y medio mundo 2.500 millones de personas- sufren enfermedades asociadas a la contaminación del agua y a la falta de higiene, señalando una estrecha correlación entre la insuficiencia y calidad del recurso y la ocurrencia de enfermedades de origen hídrico (Fierros, 1992).
III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en México En nuestro país se ha dado un mal uso del agua, puesto que cada familia desperdicia en promedio unos 150 litros diarios a causa de los malos hábitos, elevando con ello el consumo promedio por persona a 200 y hasta 300 litros al día, cuando 100 litros serían suficientes para el uso doméstico per cápita urbano (Arana, 1996). La calidad del agua superficial se está deteriorando en las principales cuencas a causa de los residuos urbanos agrícolas e industriales. Las aguas freáticas se contaminan desde la superficie y en otros casos se deterioran irreversiblemente con la intrusión de agua salada del mar, cuando el bombeo ha sido excesivo, tal es el caso de la Costa de Hermosillo en Sonora y Santo Domingo B. C. (Arana,1996).
III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua Es innegable que la problemática no natural del agua es provocada por el hombre en su interacción con el medio natural. Y está determinada por la forma de aprovechar, usar y administrar, tanto el agua como los otros recursos, los cuales son inherentes al equilibrio ecológico y al sano fluir del ciclo hidrológico. La cual se hace crítica en los centros de uso, particularmente en los centros de mayor población. Como representativa de las aglomeraciones humanas tenemos a la Ciudad de México y su zona metropolitana. Esta situación impide que la población cuente con un servicio adecuado de agua potable, lo que obliga a bombear de distancias muy alejadas (Valle de Bravo, Cutzamala), en este proceso es cuando se contaminan y para solucionar el problema
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los gobiernos de las ciudades optan por un sistema que no resulte una inversión cuantiosa, seleccionando los métodos tradicionales que incrementan los problemas para el consumidor (CEAS, 1993). A pesar de lo anterior es necesario disponer de agua que no tenga mal sabor, olores extraños, tanto fría como caliente, de manera que solo desprenda leve alcalinización que le confieren las sales y gases disueltas en ellas, desde luego conviene que contenga cierta cantidad de sal, pues en caso contrario, resulta insípida. El agua potable es indispensable para la mayoría de los seres vivos ya que es el constituyente mayor de seres vivos; estando incorporada a los tejidos y órganos. Así, podemos indicar que el tejido adiposo contiene entre un 22% y un 34% de agua, y en el hígado y corazón la proporción oscila entre un 70% y 80%. El tejido con mayor contenido en agua es el nervioso, con una proporción entre el 82% y 94% (Delta, 2001). El agua puede estar libre, conteniendo sustancias minerales u orgánicas en disolución o combinada con ciertos cuerpos. También se presenta retenida, por absorción, por ciertas sustancias dentro de las células, Su papel es muy importante, hasta el punto que una pérdida de agua del 15% produce graves trastornos en los animales superiores. En los inferiores, da lugar al enquistamiento, o a la adopción del estado de vida latente. Es el medio de disolución de los componentes minerales y orgánicos del protoplasma celular y gracias a ella pueden realizar varias acciones vitales para el organismo. Lo anterior nos pone en tela de juicio para decidir el tipo de agua que deseamos incorporar al organismo para prevenir las enfermedades que se pueden transmitir mediante el agua (Delta, 2001). Por tal la transformación en su calidad esta debe estar acorde a las necesidades de la sociedad, y pasó de ser un elemento esencial natural a un producto elaborado y comercializado.
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III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma Chapingo Para el abastecimiento de agua de uso Doméstico la Universidad cuenta con cuatro pozos (Yucateco, Zootecnia, Lavanderia y Sociología) activos que funcionan mas de una hora diaria, para almacenarla se dispone de cisternas con una capacidad aproximada de 50 m3. Cabe aclarar que en los pozos el nivel estatico está a una profundidad del orden de 60 m (Gutiérrez, 2002), comunicación personal.
III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores Los pozos Yucateco, Zootecnia, Lavanderia están conectados para abastecer a toda la Universidad de esa manera cuando se presentan problemas los demás suministran el líquido. De acuerdo con la información recabada, años atrás hasta el agua que se consumía en los comedores solo recibía tres tratamientos avanzados, en el siguiente orden: intercambio iónico, filtros de fibra y filtros de carbón activado. Estos dos últimos a un se encuentran colocados como muestra de su deterioro. El tratamiento de intercambio iónico lleva funcionando más de cinco años y la regeneración de la resina se hace con sal de mar (NaCl), cabe aclarar que es un pre tratamiento antes de entrar a la caldera. Actualmente las autoriadades de la universidad se han preocupado por mejorar y tener un control en las aguas que utiliza en sus comedores para la preparación de alimentos, café, te, lavado de verduras, entre otros usos, además que tienen una red que abastece a algunas oficinas donde algunos trabajadores la consumen para la preparación de café. El tratamiento que opera desde inicios del 2002 tiene una capacidad para purificar 50 m3/diarios. El tren que sigue el agua es el siguiente: filtros de carbón activado- filtro de pulidor de agua - Rayos Ultravioleta. Teniendo el mayor consumo en las horas de servicio 7-9 am, 12-3 pm, 7-8.30 pm.
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III.1.4.2 Consumo de Enseñanza y Oficinas
agua
embotellada
en
Departamentos
de
Por otra parte, la preocupación por la calidad sanitaria del agua que se bebe se ha incrementado por el consumo de agua purificada embotellada en las oficinas tanto académicas como administrativas de cada departamento, puesto que prefieren comprar agua de una cierta calidad (Higiene) y aun precio accesible. Es así como se consumen varias decenas de garrafones de agua purificada, que cada departamento compra para su consumo. Sin embargo la disponibilidad no la tienen todos, ya que el abasto no es suficiente, por lo que se ven en la necesidad de comprar en presentaciones de un litro o bien hervir agua en su casa. Esta última es una manera que la Secretaría de Salud recomienda para prevenir enfermedades gastrointestinales, ya que se destruyen los microorganismo pero no se eliminan los sólidos (minerales) contenidos en el agua. En lo que respecta al consumo de agua por los alumnos la mayoría la adquiere en los comedores a la hora de sus alimentos, y algunos sin el conocimiento de su origen y calidad la consumen directamente de la llave sin algún tratamiento (canchas deportivas y dormitorios) previo o bien en su caso prefieren algún líquido gasificado. En pocos casos prefieren comprar agua purificada. La universidad está integrada por tres grupos que son los Académicos (1232 personas), Administrativo (2782) y Alumnos (6802).
III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua La necesidad por obtener agua con menores contaminantes, ha permitido al hombre, buscar nuevas alternativas más eficientes, con un mínimo de recursos económicos para purificar el agua y de esa manera tener un mercado competitivo, a precio accesible a la población. Para iniciar un procedimiento de selección es indispensable realizar análisis del agua, ya que su realización nos permite conocer su calidad, y reduce la desconfianza por parte del usuario, pues es que tomando como base los resultados obtenidos, se selecciona el equipo adecuado para su purificación.
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A continuación se muestran algunas opciones para resolver algunos problemas que se presentan en el agua (neWater,2002). Tabla 3..1 Opciones para recuperar el agua contaminada.
III.2 Parámetros de Calidad de las Aguas III.2.1 Caracterización del Agua El agua pura es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de mercurio), el punto de congelación del agua es de 0° C y su punto de ebullición de
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100°C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4° C y se expande al congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25° C sin que se congele. Tiene un peso molecular de 18 gr/ mol. Los parámetros del agua son características físicas, químicas, biológicas y radiológicas que permiten detectar cual es el grado de contaminación que presenta el agua, la razón principal de este problema es su estructura molecular que es dipolar, con una constante dieléctrica muy alta superior a cualquier otro liquido. Algunos de estos se utilizan en el control de los procesos de tratamiento realizando mediciones de forma continua o discreta. Los parámetros se pueden clasificar en cuatro grandes grupos: físico, químico, biológico y radiológico.
III.2.1.1 Parámetros físicos Turbidez Es la dificultad del Agua para transmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas, entre otras arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, organismos planctónicos, microorganismos etc. Actualmente la turbidez se mide con un nefelómetro expresando los resultados Unidad de Turbidez nefelométrica, UTN. Las aguas subterráneas suelen tener valores inferiores a 1 ppm de sílice, pero las superficiales pueden alcanzar varias decenas. Las aguas con 1 ppm son muy transparentes y permiten ver a su a través hasta profundidades de 4 a 5 m. Con 10 ppm, que seria el máximo deseable para una buena operación de los filtros, la transparencia se acerca al metro de profundidad. Por encima de 100 ppm las transparencias están por debajo de los 10 cm y los filtros se obstruyen rápidamente. La Turbiedad mayor de 5 ppm es detectable, para lo cual se debe disminuir mediante los procesos de coagulación, decantación y filtración y debe de disminuir a menos de 5 ppm y en plantas que operan con agua de pozo deben disminuirla a menos de 1 ppm.
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Color El color es la capacidad del agua para absorber ciertas radiaciones del espectro visible. El color natural en el agua existe debido al efecto de partículas coloidales cargadas negativamente. En general el agua presenta colores inducidos por materiales orgánicas de los suelos vegetales como el color amarillento debido a los ácidos humicos. La presencia de hierro puede darle un color rojizo y la del manganeso un color negro. Normalmente el color se mide en laboratorio por comparación de un estándar arbitrario a base de cloruro de cobalto, Cl2Co y Cloroplatinato de potasio, Cl6PtK2 y se expresa en una escala de Unidades de Pt-Co (unidad Hazen) o Pt, las aguas superficiales pueden alcanzar, varios centenares de ppm de Pt. La eliminación suele hacerse por coagulación- floculación con posterior filtración (disminuyendo a menos de 5 ppm) o la absorción con carbón activado. Olor y Sabor Estos parámetros son determinaciones organolépticas y determinación subjetiva, para dichas observaciones no existen instrumentos de observación, ni registros, ni unidades de medida. Tienen un interés evidente en las aguas potables destinadas al consumo humano. Las aguas adquieren un sabor salado a partir de 300 ppm de Cl - y un gusto salado y amargo con mas de 450 ppm de SO4-. EL CO2 libre en el agua le da un gusto ―picante‖. Trazas de fenoles u otros compuestos le confiere un olor y sabor desagradable. Conductividad y resistividad La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad del agua para conducir electricidad. Es indicativo de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura contribuye mínimamente a la conductividad y por lo general es el resultado del movimiento de los iones de las impurezas. La resistividad es la medida reciproca de la conductividad. El aparato utilizado es el conductivimetro cuyo fundamento es la medida eléctrica de la resistencia al paso de la electricidad entre las dos caras opuestas de un prisma rectangular comparada con la de una solución de ClK a la misma temperatura y referida a 20°C. La unidad estándar de resistencia eléctrica es el ohm y la resistividad de las aguas, se expresa en megaohms-cm., la conductividad se expresa en el valor reciproco,
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normalmente como microsie-mens por cm. Para el agua ultrapura los valores respectivos son de 18.24 Mohms.cm y 0.05483µs/cm a 25 °C.
III.2.1.2 Parámetros químicos Alcalinidad La alcalinidad es una medida de la capacidad para neutralizar ácidos. Contribuye a la alcalinidad los iones bicarbonato, CO3H-, carbonato, CO3= y oxhidrilo, OH-, pero también los fosfatos y ácido silito u otros ácidos de carácter débil. Los bicarbonatos y los carbonatos pueden producir CO2 en el vapor, que es una fuente de corrosión en las líneas de condensado. También puede provocar espumas, o provocar arrastre de sólidos con el vapor y fragilizar el acero de las calderas. Se mide por titulación con una solución valorada de un álcali o un ácido según sea el caso y estos dependen de la concentración de los iones hidroxilos (OH)-, carbonato (CO3)= y bicarbonato (HCO3). Cuando la alcalinidad es menor de 10 ppm es recomendada para el uso doméstico. Se corrige por descarbonatación con cal; tratamiento con ácido, o desmineralización por intercambio iónico. Coloides Es una medida del material en suspensión en el agua que por su tamaño alrededor de los 10-4 - 10-5 mm, se comporta como una solución verdadera y atraviesa el papel del filtro. Los coloides pueden ser de origen orgánico (macromoléculas de origen vegetal) o inorgánico (óxidos de hierro y manganeso).En el agua potable la molestia solo es estético. Se elimina por floculación y precipitación, precipitación y eliminación de barros. La filtración es insuficiente y requiere ultrafiltración. Acidez mineral La acidez es la capacidad para neutralizar bases. Es bastante raro que las aguas naturales presenten acidez, no así las superficiales. Es responsable de corrosión se mide en las mismas unidades que la alcalinidad y se corrige por neutralización con álcalis.
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Sólidos Incluye toda la materia sólida excepto el agua contenida en los materiales líquidos y se clasifican: Sólidos Disueltos. Los sólidos disueltos son una medida de la cantidad de materia disuelta en el agua. El origen puede ser múltiple tanto en las aguas subterráneas como en la superficial. Para las aguas potables se fija un valor máximo deseable de 500 ppm, este dato por si sólo no es suficiente para catalogar la bondad del agua. Los procesos de tratamiento son múltiples en función de la composición incluyendo la precipitación, intercambio iónico, destilación, electrodialisis y osmosis inversa. Sólidos en suspensión. Se suelen separar por filtración y decantación. Son sólidos sedimentables, no disueltos, que pueden ser retenidos por filtración. Las aguas subterráneas suelen tener menos de 1 ppm, las superficiales pueden tener mucho más dependiendo del origen y forma de captación. Sólidos totales. Es la suma de los dos anteriores y en suspensión. Es la materia que permanece como residuo después de evaporación y secado a 103 °C. El valor de los sólidos incluye tanto material disuelto (residuo filtrable) y no disuelto (suspendido). Residuo Seco. Se llama así al peso de los materiales que quedan después de evaporar un litro de agua en cuestión. Si previamente le hemos hecho una buena filtración corresponderá al peso total de sustancias, sean volátiles o no. La temperatura a que se hace la evaporación influye en los resultados, por las transformaciones que puede haber y las pérdidas, por ejemplo, de gas carbónico CO2. Cloruros El Ion cloruro (Cl-) forma sales muy solubles, suele asociarse con el Ion Na +, esto lógicamente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 y 250 ppm de cloruros, pero también se encuentran valores muy superiores fácilmente. Las aguas salobres contienen millares de ppm de cloruros, el agua de mar está alrededor de las 20,000 ppm de cloruros. Las aguas con cloros pueden ser muy corrosivas debido al tamaño del ión que puede penetrar la capa protectora en la interfase estructural.
óxido-metal y reaccionar con el hierro
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La determinación argentométrica de los cloruros se basa en la formación de cromato de plata de color rojizo, esto ocurre cuando se adicionan al agua iones cromato como indicador y iones de plata como reactivo precipitante. Titulando con una solución valorada de nitrato de plata se determina la cantidad necesaria para precipitar todos los cloruros como cloruro de plata e inmediatamente se observa la formación de cromato de plata de color rojizo. El Ion cloruro se separa con intercambio Iónico, aunque es menos retenido que los iones polivalentes, por lo cual las aguas de alta pureza requieren un pulido final. Sulfatos El ión sulfato (SO4=), corresponde a sales moderadamente solubles a muy solubles. Las aguas dulces entre 2 y 250 ppm y el agua de mar alrededor de 3000 ppm. Recordemos, como ya hemos dicho que el agua pura se satura de SO 4Ca a unas 1500 ppm. Lo que ocurre es que la presencia de otras sales de calcio aumenta la solubilidad. En cantidades bajas no perjudica seriamente al agua pero algunos centenares de ppm pueden perjudicar la resistencia del hormigón. Su eliminación se realiza por intercambio iónico. Nitratos El ión nitrato (NO3-) forma sales muy solubles y estables. En un medio reductor puede pasar a nitritos, nitrógeno gas e incluso amoniaco. Las aguas normales menos de 10 ppm, y el agua de mar hasta 1 ppm. Aguas con filtración de zona de riego con contaminación por fertilizantes pueden tener hasta varios centenares de ppm. Concentraciones muy elevadas en agua de bebida puede producir la cianosis infantil. Su presencia junto con fosfato, en aguas superficiales, provocan la aparición de un excesivo crecimiento de algas es lo que se conoce como eutrofización. Su determinación se realiza por espectrofotometria. Se elimina por intercambio iónico, siendo un método no económico en los proceso de potabilización en grandes volúmenes. Fosfatos El ión fosfato (PO4-3) en general forma sales muy poco solubles y precipita fácilmente como fosfato cálcico. Como procede de un ácido débil contribuye, como ya hemos visto,
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a la alcalinidad del agua. No suele haber en el agua más de 1 ppm, salvo en los casos contaminación por fertilizantes. Fluoruros El Ión fluoruro (F-), corresponde a sales de solubilidad muy limitada, suele encontrarse en cantidades superiores a 1 ppm. Hay quien mantiene que alrededor de dicha concentración puede resultar beneficioso para la dentadura, en nuestra opinión no es aconsejable añadirlo al agua con este objeto, ya que también se almacena en el organismo y no existen estudios a largo plazo de efectos secundarios. La determinación suele hacerse por métodos colorímetros o método del electrodo del Ión selectivo. Sílice La sílice, SiO2 se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico SiO 4H4 y como materia coloidal; contribuye a provocar algo de alcalinidad en el agua. Las aguas naturales contienen entre 1 y 40 ppm, pudiendo llegar a las 100 ppm(si son aguas carbonatadas sódicas). La determinación se hace por colorimetría. Su eliminación se consigue por precipitación aunque suele hacerse con resinas de intercambio Iónico fuertemente básicas. Bicarbonatos y carbonatos Como ya hemos visto anteriormente, existe una estrecha relación entre los iones bicarbonato CO3H-, carbonato CO3=, el CO2 gas y el CO2 disuelto. El equilibrio, como ya vimos, está muy afectado por el pH; todos estos iones contribuyen fundamentalmente a la alcalinidad del agua. Las aguas dulces suelen contener entre 50 y 350 ppm de ión bicarbonato, y si el pH es inferior a 8.3, no habrá ión bicarbonato. El agua de mar contiene alrededor de 100 ppm de ión bicarbonato. Otros componentes aniónicos Los sulfuros, S=, y el ácido sulfhídrico son muy característico de medios reductores, pero en general las aguas contienen menos de 1 ppm, su principal característica es que el agua tiene muy mal olor.
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Los compuestos fenólicos afectan a la potabilidad, con olores y gustos especialmente desagradables, sobre todo después de un proceso de cloración. Los detergentes son ligeramente tóxicos y presentan problemas de formación de espumas y consumen el oxigeno del agua. Los ácidos húmicos pueden afectar a procesos de pretratamiento e intercambio iónico. Sodio El ión sodio, Na+, corresponde a sales de solubilidad muy elevada y difíciles de precipitar. Suele estar asociado al ión cloruro. El contenido de las aguas dulces esta entre 1 y 150 ppm, pero se pueden encontrar casos de hasta varios miles de ppm. Las aguas de mar contienen alrededor de 11,000 ppm. Es un indicador potencial de la corrosión. La determinación se hace por fotometría de llama. El sodio se elimina por intercambio iónico, pero como ión monovalente es una de las primeras sustancias que fugan de la columna catiónica o del lecho mixto. Potasio El ión potasio K+, corresponde a sales de muy alta solubilidad y difíciles de precipitar. Las aguas dulces no suelen tener más de 10 ppm y el agua de mar alrededor de 400 ppm, eso es menos significativo que el sodio. Su determinación se hace por fotometría de llama. Se elimina por intercambio iónico. Calcio El ión calcio Ca++ forma sales desde moderadamente soluble a muy insolubles. Precipita fácilmente como carbonato de calcio (CO3Ca). Es el principal componente de la dureza del agua y causante de incrustaciones. Las aguas dulces suelen contener de 10 a 250 ppm, pudiendo llegar hasta 600 ppm. El agua de mar alrededor de 400 ppm. Se determina por complejometría con EDTA o NTA. Su eliminación se hace por precipitación e intercambio iónico. Magnesio El ión magnesio, Mg ++ tiene propiedades muy similares a las del ión calcio, aunque sus sales son un poco más solubles y difíciles de precipitar. El hidróxido de magnesio es, sin embargo, menos soluble. Las aguas dulces suelen contener entre 1 y 100 ppm. El
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agua de mar contiene alrededor de 1300 ppm. Su aparición en el agua potable con varios centenares de ppm provoca un sabor amargo y efectos laxantes. Contribuye a la dureza del agua y a pH alcalino, puede formar incrustaciones de hidróxido. Su determinación es analítica por complejometría. Se puede precipitar como hidróxido pero su eliminación se realiza por intercambio iónico. Hierro Es un cation muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece en dos formas: ión ferroso, Fe++, o mas oxidado como ión férrico, Fe+++. La estabilidad y aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, ó composición de la solución. Afecta a la potabilidad de las aguas y es un inconveniente en los procesos industriales por provocar incrustaciones. Por todo lo anterior las aguas subterráneas solo contienen el ión ferroso disuelto, que suele aparecer con contenidos entre 0 y 10 ppm, pero al airear el agua se precipita el hidróxido férrico de color rojizo, y se reduce el contenido a menos de 0.5 ppm. Solo las aguas de pH ácido pueden tener contenidos en hierro de varias decenas de ppm. Su determinación se hace analíticamente por colorimetría y espectrofotometría de absorción atómica, dando el hierro total que incluye las formas solubles, coloidal y en suspensión final. La eliminación se hace por coagulación - filtración. También se puede emplear el intercambio Iónico. Manganeso El ión manganeso se comporta en la mayoría de los casos muy parecido al ión hierro además de poder ser bivalente y trivalente positivo puede también presentarse con valencia +4 formando el MnO2 que es insoluble. Rara vez el agua contiene más de 1 ppm y requiere un pH ácido. La forma manganeso Mn++ que es más general por aireación se oxida y precipita con un color negrusco de MnO2. Se determina por oxidación a permanganato y colorimetría de la solución oxidada y espectrometría de absorción atómica.
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Metales Tóxicos Los más comunes son el arsénico, el cadmio, el plomo, el cromo, el bario y el selenio. Todos ellos deben ser estrictamente controlados en el origen. Las mediciones se realizan por espectrofotometría de absorción atómica. Arsénico. Este se pasa al agua por contacto con ella. Es bien conocido desde hace siglos como tóxico, ya que afecta a la salud humana, produciendo daños al sistema nervioso y respiratorio, produce graves consecuencias en la piel, hígado y riñones. Uno de los principales síntomas de una ingestión prolongada es la hiperqueratósis de las palmas de pies y manos. La OMS establece un contenido máximo de arsénico en el agua de 10g./l. Dentro de las técnicas que figuran para la eliminación del arsénico figuran:
Coagulación- Decantación- filtración. Adsorción con alúmina activada. Ablandamiento con cal. Intercambio cationico y Osmosis inversa.
Gases Disueltos El dióxido de carbono, CO2, es un gas relativamente soluble que se hidroliza formando iones bicarbonato y carbonato, en función del pH del agua. Las aguas subterráneas profundas pueden contener hasta 1500 ppm pero las superficiales se sitúan entre 1 y 30 ppm, un exceso hace que el agua sea corrosiva. Se elimina por desgasificación o descarbonatación. Él oxigeno, O2, por su carácter oxidante juega un papel importante en la solubilidad o precipitación de iones que presenta alguna forma insoluble, su presencia en el agua es vital para la vida superior y para la mayoría de los microorganismos. Su ausencia puede representar la presencia de metano, ácido sulfhídrico y otros gases objecionables. El ácido sulfhídrico, SH2 causa un olor a huevos podridos y es corrosivo. El amoniaco (NH3) es un indicador de contaminación del agua, y en forma no iónica es tóxico para los peces. Con la cloración produce cloraminas, también tóxicas.
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III.2.1.3 Parámetros biológicos Estos parámetros son indicativos de la contaminación orgánica y biológica; tanto la actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las aguas: la descomposición animal y vegetal, los residuos domésticos, detergentes, etc. Este tipo contaminante es más difícil de controlar que la química o física y además los tratamientos deben estar regulándose constantemente. Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) Mide la cantidad de oxígeno consumida en la eliminación de la materia orgánica del agua mediante procesos biológicos aerobios, se suele referir al consumo en 5 días (DBO5), también suele emplearse (DBO21) días. Se mide en ppm de O2 que se consume. Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, contenido superior es sinónimo de contaminación por infiltración freática. En las aguas superficiales es muy variable y depende de las fuentes contaminantes aguas arriba. En aguas residuales domesticas se sitúa entre 100 y 350 ppm. En las industriales alcanza varios miles de ppm. Demanda Química de Oxigeno (DQO) Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato, permanganeto, etc. Por el total de materias oxidables orgánicas e inorgánicas. Es un parámetro mas rápido que el anterior ya que es la medición casi inmediata, la unidad de medida son ppm de O2. Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO de 1 a 5 ppm. Las aguas residuales domesticas están entre 260 y 600 ppm. Hay un índice que indica que tipo de aguas estamos analizando y se obtiene con la relación (DBO/DQO) si es menor de 0.2 el vertido será de tipo inorgánico y si es mayor de 0.6 se interpretara que aguas arriba tenemos un vertido orgánico.
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Carbón orgánico total El COT es una medida del control de materia orgánica del agua. Es especialmente utilizable en pequeñas concentraciones. En presencia de un catalizador el carbón orgánico se oxida a CO2; últimamente se está popularizando por la rapidez en la realización del análisis. Se mide en un analizador infrarrojo.
III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos La bacteria Escherochis coli y el grupo coliforme en su conjunto, son los organismos más comunes utilizados como indicadores de la contaminación fecal. Las bacterias coliformes son microorganismos de forma cilíndrica, capaces de fermentar la glucosa y la lactosa. Otros organismos utilizados como indicadores de contaminación fecal son los estreptococos fecales y los clostridios. Estos últimos son anaerobios, formadores de esporas; estas son formas resistentes de las bacterias capaces de sobrevivir largo tiempo. El análisis del agua se realiza con el método de los tubos múltiples y se expresa en términos de el ―numero más probable‖ (índice NMP) en 100 ml de agua. Las aguas con un NMP inferior a 1, son potables. Según el destino del agua, la eliminación de bacterias se realiza por filtración, o esterilización por luz ultravioleta, cloración u ozonización.
III.2.1.5 Parámetros radiológicos Hasta hace poco tiempo este tipo de parámetros no era importante, pero conforme avanza el desarrollo industrial la presencia de sustancias radiactivas en el agua es un riesgo de relevancia creciente. Su importancia es más sanitaria que industrial.
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III.3 Sistemas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano Tipos de plantas de purificación La calidad del agua cruda oscila gradualmente de una fuente a otra; por ello el tipo de tratamiento requerido para producir agua potable, también varia. Dependiendo de la calidad de esta, el grado de complejidad del tratamiento es diferente. El diseño de una planta de tratamiento eficiente y económica requiere un estudio basado en la calidad de la fuente y en la selección apropiada de los procesos y operaciones de tratamiento más adecuadas y económicos para producir agua de la calidad requerida (Romero, 1999).
III.3.1 Filtración III.3.1.1 Generalidades Es sabido que los recursos hídricos, tanto subterráneos como cuerpos superficiales, presentan contaminantes que no permiten su uso directo para consumo humano. La turbiedad, el fierro, el manganeso, el arsénico, el cadmio, el flúor, los sulfatos, el amonio, los nitritos y nitratos son los principales contaminantes o parámetros que deben corregirse con la filtración. La humanidad buscó la manera de corregir algunos problemas del agua y es en Escocia en 1804 donde se inventó el primer filtro. En 1829 la Compañía del Río Támesis, en Londres emprendió la construcción de filtros lentos de arena y en 1892 se demostró su eficiencia para el control biológico de la epidemia de cólera ocurrida en Hamburgo. En las plantas de purificación la filtración remueve el material suspendido (turbiedad) compuesto de flóculos, suelos, metales oxidados y microorganismos que resisten a la desinfección. Cuando la filtración se usa en la potabilización se emplea con o sin pretratamiento de coagulación y sedimentación para eliminar los sólidos presentes en las aguas y los precipitados de tratamiento químico. (Ramalho, 1996).
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Definición: La filtración se define como la separación de partículas sólidas o semisólidas que están suspendidas en un fluido (Mendez, 2002). El filtro es un aparato que sirve para separar las partículas sólidas de un medio fluido por intercepción y retención de las partículas sobre una superficie o en el seno de una masa porosa a través de las cuales se hace circular el fluido. En el diseño óptimo de un filtro debe considerarse (Rogola, 1999): Tamaño del medio y la altura del lecho. Velocidad de filtración. Presión disponible. El modo de filtrar.
III.3.1.2 Mecanismos de remoción La filtración depende de una combinación compleja de mecanismos físicos y químicos; en aguas de consumo, la adsorción juega el papel importante (AWWA,1984), ya que a medida que el agua pasa a través del lecho del filtro las partículas suspendidas hacen contactos y son adsorbidas sobre la superficie de los granos del medio o sobre material previamente depositado. Las fuerza que atraen y retienen las partículas sobre los granos son las mismas que en la coagulación y floculación y por lo tanto es muy importante tener una buena coagulación antes de la filtración.
III.3.1.3 Descripción de la filtración La operación de la filtración supone dos etapas: filtración y lavado o regeneración. El filtro rápido por gravedad es el más usado en tratamiento de aguas; el final de la etapa de filtración se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad) en el efluente aumentan; cuando la pérdida de carga es alta que el filtro ya no produce agua a la tasa deseada o cuando la filtración es de 36 horas o más. Presentándose una de las condiciones anteriores se procede a lavar para remover el material suspendido acumulado dentro del lecho filtrante y recuperar su capacidad como tal. El método de retrolavado es invertir el flujo a través del filtro.
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III.3.1.4 Sistemas de filtración La clasificación de los sistemas de filtrado es de acuerdo a la dirección del flujo, el tipo de lecho filtrante, la fuerza impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la tasa de filtración. Dirección del flujo. Puede ser hacia ascendente o descendente. Tipo de lecho filtrante: un solo medio arena o antracita, un medio dual, arena y antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y granata o ilmenita. Fuerza Impulsora: Esta es utilizada para vencer la resistencia y la friccion ofrecida por el lecho filtrante, los filtros se clasifican como filtros de gravedad o de presión. Método de Control. La tasa de filtración se expresa asi (Clasby, 1977): Tasa de filtración = (fuerza Impulsora / Resistencia del Filtro) La fuerza impulsora representa la pérdida de presión en el filtro, la cual empuja el agua a través del filtro. A medida que se efectúa la filtración los sólidos suspendidos removidos se acumulan, lo que implica que la fuerza impulsora debe vencer la resistencia ofrecida por el lecho taponado. Por tal para una tasa de filtración constante la Filtración debe aumentar proporcionalmente a la resistencia del filtro.
III.3.1.5 Variables del proceso de filtración III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar Las características principales son la concentración de sólidos en suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, así como la consistencia de los flóculos. Las partículas se encuentran en dos intervalos de tamaño distintos: pequeñas(1 y 15 micras de diámetro circular), grandes( 50 y 150 micras).
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III.3.1.5.2 Características del medio filtrante El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de filtración. Si el tamaño es demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se empleará para vencer la resistencia de fricción provocado por el lecho filtrante.
III.3.1.5.3 Velocidad de filtración Las velocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran parte de los mismos a través del filtro. Se tiene un intervalo de 4.8 a 19.2 m 3/m2h no afecta la calidad del efluente del filtro.
III.3.1.6 Hidráulica de la filtración Muchas son las ecuaciones utilizadas para determinar la pérdida de carga en el filtro limpio; entre las más conocidas las de Carmen Kozeny, Fair y Hatch, Rose y Hazen. El flujo de agua a través de un filtro, a las tasas empleadas en tratamiento de agua, obedece a la ley de Darcy. Por tanto la tasa de filtración es directamente proporcional a la cabeza o energía disponible de filtración y a la permeabilidad del lecho e inversamente proporcional al espesor del medio. Según Rose citado por Romero (1999) estableció una ecuación para determinar analíticamente la pérdida de carga por fricción a través de material granular, granos de arena esféricos de tamaño uniforme. Teniendo aplicación en el cálculo de pérdida de energía a través de un filtro limpio. La ecuación de Rose es la Siguiente (Fair, 1954).
h 1.067C D
1 L v2 e4 d g
(3.1)
donde: h = es la pérdida de carga a través del lecho, m CD = coeficiente de arrastre e = es la porosidad del lecho L = es la profundidad del lecho, m
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v = es la velocidad de filtración, m/s d = es el diámetro característico de los granos, m g = aceleración de la gravedad, m/s2 Esta es fácil de aplicarse si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme. Sin embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el termino del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954).
CD
24 N RE
N RE
3 0.34 N RE
(3.2)
vd vd
(3.3)
donde: = Densidad del agua, kg/m3 NRE = Número de Reynolds = Viscosidad dinámica, Pa.s
= Viscosidad cinemática, m2/s La ec. 3.1 es de fácil aplicación si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme. Sin embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el término del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954). Se tiene A = d2 V = d3
d
V
(3.4)
. b A
Ao d o 2/3 4 . 84 A d 2 donde: A = Área superficial real del grano 2
= Factor de forma de área superficial d = Diámetro medio del grano V = Volumen real del grano = Factor de forma de volumen = Factor de esfericidad Ao = Área superficial de la esfera de diámetro do
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Do = Diámetro del grano esférico de volumen equivalente Para partículas esféricas de diámetro d:
A d 2 6 V d 3 d 6
6V 6,0; d A Remplazando en la Ec. 4.1
C v2 A h 0.178 D 4 L ge V
(3.5)
Si todos los gramos del medio filtrante son de tamaño y forma uniforme el valor (A/V) para un solo grano es el mismo que para el lecho total y se cumple la Ec. 3.4. Si los granos varían en tamaño pueden estar empacados homogéneamente dentro del lecho. Caso para lechos estratificados, filtros rápidos. Suponiendo que las partículas o granos entre tamices adyacentes son de tamaño uniforme se puede encontrar el valor de A/ V en términos de la componente o proporción en peso retenido entre tamices.
A V
C
Di
Pi di
donde: Pi = Fracción en peso de partículas de tamaño di di = (d1/d2)1/2, tamaño promedio geométrico de las aberturas de los tamices adyacentes CDi = Coeficientes de arrastre para los granos de tamaño promedio di. Por tanto le Ecuación de Rose para filtros rápidos será:
h v2 0.178 4 . L ge
C
Di
Pi di
(3.6)
Para lechos empacados homogéneamente, caso de filtros lentos,
A V
Pi di
(3.7)
Por tanto para filtros lentos la ecuación es:
C v2 h 0.178 D 4 . L ge
Pi di
(3.8)
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III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos Una vez que el agua de lavado es admitida en el fondo del filtro, el lecho comienza a expandirse y existe una pérdida de carga inicial. A medida que el lecho se expande, la tasa de incremento de la pérdida de carga disminuye y cuando todo el lecho esta fluidizado la pérdida de carga se vuelve constante (fuerza de lavado = fuerza de gravedad). Cuando el lecho de partículas de tamaño uniforme alcanza el punto de fluidización, el peso efectivo de las partículas, o sea la fuerza gravitacional, está equilibrada por la fuerza hacia arriba del agua; es decir: Fuerza hacia arriba del agua = peso efectivo del medio p.S = LS(1-e) (s-)g h1 = L(1-e)
(s )
h1 = L(1-e)(Ss-1) Donde: p= Caída de presión por fricción a través del lecho fluidizado, N/m 2; S = Sección transversal del lecho, m2; L = Profundidad del lecho, m;
s=Densidad de las
partículas, kg/ m3; = Densidad del fluido, kg/ m3;e = porosidad del lecho fijo; Ss = Densidad relativa de las partículas; g = Aceleración de la gravedad m/s 2; H1= Pérdida de carga por fricción a través del lecho fluidizado, m; Teniendo en cuenta que la masa total de partículas permanece constante, tanto en el lecho fijo como el expandido se puede encontrar entre las porosidades y las profundidades del lecho fijo y las del expandido.
Le L
1 e 1 ee
(3.9)
donde: Le = profundidad del lecho expandido, m y ee = porosidad del lecho expandido. Finalmente Fair y Geyer encontraron que la suspensión del medio granular del filtro. v ee b vs
0.22
(3.10)
Por lo tanto para la fluidización del lecho: vb vs e 4.5
(3.11)
Donde: vb = velocidad del agua de lavado, m/s; vs = velocidad de asentamiento de las partículas del medio, m/s; e = porosidad del lecho filtrante.
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III.3.1.8 Filtración en medio granular Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua se realiza mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o mas mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y adsorción (Metcalf & Eddy, 1996). La retención de partículas puede tener lugar sobre la capa más externa del medio granular (arena, antracita) sobre el cual incide el agua o profundamente en el seno de la masa porosa. En instalaciones para grandes caudales el tratamiento del cuerpo de filtro suele ser de hormigón y con forma de rectángulo que se adopta a la construcción de varias unidades en paralelo de unos 100 m2 cada uno. Para caudales menores de agua los filtro se construyen con cuerpos cilíndricos, (Metcalf & Eddy, 1996) cerrados, bajo condiciones de presión conseguidas mediante una bomba máxima admisible, la cual conduce a ciclos de filtración más largos y menores necesidades de lavado. La posición que se suelen emplear es vertical que permite 5 m 2 unitarios. La horizontal permite 30 m2 unitarios. Finalmente aunque se utilizan velocidades de filtración elevada la mayor parte de los sólidos se eliminan en las capas superiores (primeros 25 cm) del medio filtrante. La presión menor que en la atmósfera se presenta cuando la pérdida de carga excede a la columna de agua disponible. La presión favorece la formación de bolsas de aire (liberación de gases disueltos en el agua) lo cual reduce el área efectiva de filtración y por consiguiente se da la filtración (Martínez & Gonzáles, 2000).
III.3.1.9 Lavado de filtros Según Romero, (1999) el lavado de filtros consiste en hacer pasar agua en sentido contrario al funcionamiento del filtro a través del lecho filtrante, a una velocidad tal que los granos del medio filtrante se muevan a través del flujo y se frotan unos contra otros para limpiarse de los depósitos formados sobre ellos. Si solamente hay una unidad, se debe disponer de un tanque de almacenamiento de agua filtrante. Para lavar los filtros cuando la pérdida de carga es excesiva o la calidad es deteriorada, se hace a atravesar una corriente de agua y aire en contracorriente.
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Cuando se dispone de filtros en paralelo el lavado de uno de ellos se puede realizar forzando el caudal en el resto de los filtros. Según Kawamura, (1975) a 20 °C para arena y antracita típica usadas para filtros, con densidades 2.65 y 1.55 respectivamente se tiene. Vb >5 mm/s; Para arena vt = 10D60; (3.12) Para antracita vt = 4.7 D60. (3.13) Donde: Vt = velocidad de arrastre m/min; D60 = Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad mm. Kawamura prueba que la abrasión o fruto en un medio granular ocurre cuando la velocidad de lavado es igual al 10 % de la velocidad de arrastre. Vb = 0.1 vt = velocidad apropiada de lavado.
(3.14)
Es decir que para el lavado de arena a 20 °C la velocidad apropiada es vb = D60
(3.15)
Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad o percentil –60 del análisis granulométrico, mm. Para antracita vb= 0.47D60.
(3.16)
Para una temperatura diferente a 20 °C se hace una corrección correspondiente. La expansión del lecho durante el lavado es otro parámetro usado para medir su efectividad. Baylis citado por Kawamura (1975) enfatiza una expansión del 50 % en la arena. Otros autores 40 y 25 %.
III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente El lavado con agua requiere de una dosificación muy exacta de agua para provocar la fluidización (expansión) del medio filtrante no menos de 15 % con una duración de 3 a 15 min. El coeficiente de expansión depende sobre todo del tamaño y el peso especifico de los granos, y la viscosidad del agua. La desventaja es que se utiliza un elevado consumo de agua y que produce una concentración granulométrica ubicando los finos del material filtrante en la superficie, esto es desfavorable en una filtración descendente(Metcalf & Eddy, 1996).
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III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial Este sistema cuenta con tuberías perforadas para distribuir el agua del lavado a presión considerable uniformemente por toda el área del filtro, colocadas cerca de la superficie del medio filtrante con la función de romper la capa superficial del material granular y ayudar al desprendimiento de las partículas adheridas a los granos y facilitando el transporte de las mismas provocadas por el agua de retrolavado. Este proceso tiene dos fases: la primera es el lavado superficial ( 2 min. duración) y el retrolavado con una intensidad de 1.2 –2.4 m3/m2.h para filtros de una capa filtrante y 3.6 – 4.8 m3/m2.h para filtros de dos capas filtrantes (Martínez y Gonzáles, 2000).
III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente Este lavado se aplica cuando la naturaleza del material filtrante no permite el lavado combinado de agua y aire con agua simultáneamente, por riesgos de pérdida de material filtrante en el proceso de lavado. Generalmente estos son los filtros de arena con granulometría más fina o de material de baja densidad como antracita, carbón activado. El lavado se lleva en dos fases; en la primera se aplica aire, para desprender las partículas adheridas al medio filtrante; en la segunda se aplica solo agua, sin aire, con alta intensidad, provocando la expansión del lecho filtrante y asegurar transporte y evacuar las pérdidas desprendidas en la primera fase. Cuando los materiales suspendidos son muy pesados y difícilmente removibles, se aplican lavados en pulsaciones o varios lavados de aire y agua.
III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente Este lavado permite la mejor eficiencia del proceso, el aire comprimido que se introduce al principio del proceso de lavado, rompe la capa superficial del medio filtrante y no permite la creación de bolas de lodos, de esta manera el filtro tiene una mayor capacidad de retensión de material suspendido. Las fases del lavado son tres: en la primera es solo aire y sin expansión de la capa filtrante, la segunda es aire con agua simultáneamente y la tercera es agua pura. Habiendo en estas dos últimas una expansión de 30 a 50%.
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Como puede verse los métodos tienen sus ventajas y desventajas pero el más adecuado será aquel que seleccione el diseñador para el tratamiento de agua especificada.
III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros Romero, (1999) indica que el número de filtros en plantas pequeñas es dos como mínimo y una si no hay suficiente almacenamiento de agua tratada para el lavado del filtro y durante la puesta fuera de servicio del filtro. En plantas grandes el número mínimo de filtros es cuatro. Morris y Wallace, en 1934, sugirieron la expresión siguiente para calcular el número de filtros N:
N 0.044 Q
(3.17)
Donde: Q = Caudal de la planta en m3/d. Cleasby demuestra que para un diseño de costos mínimo se debe satisfacer las relaciones siguientes: Para una sola fila de filtros sobre un costado de la galería: Para dos filas con una galería central:
L NC1 4 NC2 W ( N 2)C2
L NC1 2 NC 2 W ( N 1)C2
(3.18) (3.19)
Donde: L = Longitud óptima del filtro (perpendicular a la galería); W = Ancho óptimo del filtro (paralelo a la galería); N = Número de filtros; C1 = Costos por unidad de la longitud de galería de filtros: No se incluyen válvulas ni accesorios, puesto que no son función de la longitud de la galería sino del número de filtros; C2 = Costos por unidad de longitud de pared del filtro.
III.3.1.11 Selección del medio filtrante Según Kawamura, la selección del medio filtrante es determinada por la durabilidad requerida, el grado deseado de purificación, la duración de la carrera del filtro y la facilidad deseable de su lavado. El medio ideal debe poseer un material durable, capaz de retener un efluente satisfactorio; debe ser de un material durable, capaz de retener la máxima cantidad de sólidos y ofrecer facilidad para limpiar con una cantidad mínima de agua de lavado.
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Allen Hazen (1892) definió el tamaño efectivo, TE (usado para caracterizar medios filtrantes) como el tamaño de partículas o del grano, en mm tal que un 10 % del material en peso es más pequeño que dicho tamaño. En otras palabras el TE es el tamaño del tamiz, en mm que permite el paso del 10 % del medio filtrante. De la misma manera Hazen definió el Coeficiente de uniformidad (CU) como la relación del tamaño de granos que tienen un 60 % mas fino que el mismo, al tamaño que tiene un 10 % mas fino que el mismo. Es decir: TE = d10 CU
d 60 Tamaño de las particulas del 60% que pasa d 60 d10 Tamaño de las particulas del 10% que pasa TE
(3.20)
EL CU representa la pendiente promedio de la curva granulométrica, en la región comprendida entre los tamaños correspondientes al 60 y 10 % que pasan. Entre más bajo sea el valor, más uniforme será la gradación de la arena, consecuentemente, entre más alto sea su valor, menos uniforme será la arena.
III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante Arena La arena es el medio filtrante mas usado, posiblemente por ser el más económico. La arena para filtros debe tener una solubilidad en ácido clorhídrico al 40 %, en 24 hr, menor del 5%; una densidad relativa mayor de 2.5 y debe ser limpia y bien gradada, según la norma AWWA A B100-53. Antracita En ocasiones se usa carbón de antracita triturado en vez de arena como medio granular filtrante. Según la AWWA, estándar B100-72, la antracita para filtros debe ser limpia, dura, con una dureza mayor de 2.7 en la escala del 1 % y coeficiente de uniformidad menor de 1.7. En filtros de antracita se puede usar un lecho de 60 –70 cm con tamaño efectivo de 0.70 mm o mayor (Steel, 1979). Arena- Antracita Debido a la diferencia de densidades. Antracita 1.4 y arena 2.65, la antracita, de tamaño apropiado según el tamaño de la arena, permanece encima de la arena durante
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el lavado y permite purificar aguas con turbiedad menores de 15 UTJ a tasas de filtración de 240–300 m/d (Fischerstrom,1955 citado por Romero, 1999). Teóricamente, el tamaño y el espesor libre de las partículas de un medio filtrante deben variar uniformemente, entre grueso y fino, en la dirección del flujo, a través del filtro, con el objeto de remover en la zona de medio grueso el material más fino. Por tanto el espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0.7 y 1 m y la talla efectiva entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1.5 y 1.7. En el caso de lechos bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del espesor total y talla efectiva entre 1.2 y 2.5mm.
III.3.1.12 Tipos de filtros III.3.1.12.1 Filtros de grava El tamaño y profundidad de la capa inferior de la grava depende del sistema de drenaje usado; asimismo, el tamaño y la profundidad de la capa superior de grava dependen del tamaño de la capa inferior de medio fino (arena o antracita) que soporte. El lecho de grava ideal es uno en el cual ésta es casi esférica en forma y existe un incremento uniforme en tamaño desde el techo hasta el fondo. La profundidad del lecho de grava puede variar entre 15 y 60 cm. Piedras tan grandes como de 7.5 cm pueden colocarse cerca de los drenajes del filtro pero se prefiere un tamaño máximo de 2.5 cm. La capa del fondo debe extenderse por lo menos 10 cm sobre el punto de salida mas alto del agua de lavado proveniente del sistema de drenaje. La grava debe ser dura y de una densidad promedio no menor de 2.5.
III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo A diferencia de los filtros convencionales que se tapan fácilmente o tienen una alta caída de presión casi desde el comienzo del ciclo de filtración, los filtros multicama llevan por lo menos cinco capas de mineral filtrante (arena silica o de mar) de diferente densidad y granulometría que van reteniendo las partículas de mayor tamaño en las capas superiores y las más pequeñas son detenidas en las siguientes capas. Grados de filtración:
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De excelente calidad entre 10 y 15 De alta calidad entre 15 y 20 De calidad normal entre 20 y 30 Funcionamiento. El agua sin filtrar entra a la válvula y fluye en dirección de arriba hacia abajo por el interior del tanque a través del material filtrante para después subir, ya filtrada, por el tubo central y salir del equipo (ver figura 3.1). El lavado es generalmente a contracorriente. El cambio del material filtrante es cada tres años. Al pasar el agua por este proceso el agua no debe tener substancias a la vista del ojo humano.
3.1.a: Filtración.
3.1.b: Retrolavado
Figura 3.1 Filtro de lecho profundo.
III.3.1.12.3 Filtros a presión En los filtros a presión el agua entra y sale del filtro a una presión muy superior a la atmósfera 0.4 al 0.6 Mpa, y la fuerza impulsora es la presión de bomba. Este tipo de filtros consta de un tanque metálico herméticamente cerrado, que contiene un medio granular. La acción de filtros a presión es idéntica a los de gravedad, se emplean generalmente en los sitios donde el espacio es limitado, tal como en fábricas, industriales. Se aplican en la filtración de aguas floculadas, sin sedimentación previa (filtración directa), y
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también sin coagulación (filtración en línea) para turbiedad hasta 30 mg/l de sólidos suspendidos. Dependiendo de la posición del tanque de acero se distinguen dos tipos de filtro a presión horizontal y vertical, con tasa de filtración entre 8 y 15 m3/m2.h, el lavado se realiza solo con agua o con agua y aire. La desventaja es que la arena puede incrustarse y formar bolas de lodo, sin que el operador sé de cuenta.
III.3.1.12.4 Filtros de diatomea Estos filtros son ampliamente usados en la industria cuando se necesita de un efluente muy limpio sin el uso de reactivos y están basado en el principio de filtrar agua a través de tubos o placas porosas, en lugar de lechos de arena, antracita u otros materiales. El material se prepara en suspensión acuosa y se aplica previamente sobre el elemento de soporte, fabricado de materiales anticorrosivos. Este tipo de filtro tiene altas cualidades de adsorción, removiendo microorganismos de 1.60-6 fierro manganeso y materia orgánica. Las tasas de filtración que tienen es de 1 a 2 m3/m2.h. Los parámetros del agua cruda son de turbiedad hasta 40 mg/l. La duración de la corrida de filtración es de 8 a 24 horas (para tasas de filtración de 1 a 3 m 3/m2.h), el lavado se realiza a contracorriente. Estos filtros requieren de esquemas de alta presión y el costo del agua es alto.
III.4 Tratamiento para Eliminar o Remover el Sabor y Olor El Agua con mal sabor y olor debe tratarse a fin de hacerla apta y agradable para beber, cocinar y asearse. Hay dos maneras principales de eliminar estos problemas una de ellas es oxidar el agua, es decir, mezclarla con oxígeno o con sustancias oxidantes. Actualmente los avances de la ciencia se han inclinado por eliminar estos problemas del sabor y olor mediante la absorción de las sustancias que los provocan mediante el carbón activado.
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III.4.1 Filtros de Carbón Activado III.4.1.1 Definición Carbón Activo es un tipo de carbón amorfo que se produce al calentar madera u otro material orgánico en ausencia de aire. Su estructura es microporosa y ésta característica lo hace absorber moléculas orgánicas tanto gaseosas como las disueltas en los líquidos.
III.4.1.2 Generalidades Desde tiempos remotos los Egipcios descubrieron que el carbón de madera podía utilizarse para purificar otros productos e incluso para usarse con fines medicinales. En el siglo XVIII, Sheele reconoce las propiedades de adsorción del carbón en experimentos con gases. Hoy día está muy extendido su empleo, tanto para eliminar contaminante del agua como del aire; en el agua se emplea cada vez más para eliminar compuestos orgánicos que comunican color, olor y sabor desagradables. Las propiedades de adsorción del carbón se deben a su elevada porosidad, que le proporciona una gran superficie.
III.4.1.3 Descripción Para comprender mejor la actividad del carbón activado es necesario realizar un análisis de la adsorción. La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Tales fuerzas son conocidas como ― Fuerzas de Van Der Waals‖. Las características fundamentales en las que se basan las aplicaciones del carbón activo son: La elevada Capacidad de eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna que posee, donde la porosidad y la distribución del tamaño de poros tienen un papel importante. Así los microporos (< 2 nm) le confiere una elevada superficie y capacidad
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de retensión, mientras los mesoporos (2 –50 nm) y microporos (>50nm) son necesarios para retener moléculas de gran tamaño (colorantes o coloides). Baja selectividad de retensión. El carbón activo retendrá moléculas apolares de alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles, colorantes.....), mientras que sustancias como el nitrógeno, oxígeno y agua no se retienen a temperatura ambiente. Cuado la sustancia a eliminar tenga una polaridad apreciable, bajo volumen molecular y esta muy diluida en aire la retensión puede ser a temperatura ambiente, por el carbón solo si se impregna con reactivos específicos o se aprovechan las propiedades catalíticas del carbón. La selección de una adecuada retensión en columnas de carbón activo requiere de un análisis de diversos factores, además de los económicos y ambientales como: Calidad y Caudales del agua a tratar. Vida útil de la planta. Posibles cambios en los Usos finales de las Aguas tratadas. Ciclos de regeneración del C.A. Destrucción o recuperación de los contaminantes retenidos en las columnas de carbón activo.
III.4.1.4 Producción de carbón activo El proceso de elaboración de Carbón Activo se basa en un carbón a partir de materiales tales como las cortezas de almendras, cáscaras de coco, nogales o palmeras, otras maderas y carbón mineral. La obtención es calentando el material al rojo vivo para expulsar hidrocarburos, pero sin aire suficiente para mantener la combustión (Metcalf & Eddy, 1996). Por ello el carbón activado es un material que se prepara en la industria para que tenga una elevada superficie interna y así poder absorber (retener sobre su superficie) una gran cantidad de compuestos, diversos tanto en fase gaseosa como en disolución (Rodríguez y Reinoso, 1987).
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III.4.1.5 Proceso de activación Para Clarimex, (2000) el proceso de activación consiste en reordenar los átomos de carbono en anillos tipo benceno para lograr una estructura cristalina reticular similar a la del grafito, en otras palabras la activación consiste en multiplicar la cantidad de poros de un carbón dando como resultado una estructura extremadamente porosa de gran área superficial (del orden de 1500 m 2/g de carbón) disponible para llevar a cabo el proceso de adsorción de impurezas que provocan olor, calor o sabor indeseable. Los principales procesos de Activación son: Físico y Químico. Proceso Físico. Consiste en Oxidar la materia prima a altas temperatura en presencia de un agente oxidante usualmente vapor de agua. Debido a que la reacción es endotérmica, por tal es necesario generar una temperatura constante dependiendo de la materia prima esta es de 800 °C. Proceso Químico. Esta se basa en la deshidratación de la materia prima, mediante substancias químicas a una temperatura media (400 – 600°C), ésta depende de la substancia química a utilizar para activar el carbón, generalmente son el ácido fosfórico, el cloruro de zinc y el ácido sulfúrico. Según Martínez y Gonzáles, (2000) La reactivación puede ser más de 30 veces sin pérdida apreciable de poder de adsorción. Tal operación puede realizarse en hornos de hogar múltiple o en hornos rotativos, donde los productos orgánicos se queman. Si el agua a tratar por el carbón, contiene compuestos orgánicos metálicos de hierro, magnesio, calcio, sodio o potasio, es conveniente que estos iones metálicos sean eliminados del carbón con ClH, antes de proceder a la regeneración. En el proceso de activación el carbón se puede separar o dividir en diferentes tamaños con diferente capacidad de adsorción. Los dos tipos de clasificación son: C.A en polvo (con diámetro < al tamiz 200), y granular (con diámetro > 0.1 mm). Tienen una estructura formada por placas grafiticas (Metcalf & Eddy, 1996).
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Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno.
En el proceso de activación el C.A granular pierde entre un 5 y un 10 % de su poder de absorción, en tanto que quede agotada su capacidad deberá ser necesario reemplazarlo por un carbón nuevo. En el caso del C.A en polvo no es necesario regenerar el carbón consumido (Metcalf & Eddy, 1996). El Carbón Granular suele emplear una columna como medio de contacto de agua, mientras que el carbón en polvo se puede añadir al efluente de procesos de tratamiento biológicos, directamente en las unidades de tratamiento o formando parte de los diagramas de flujo del proceso fisicoquímico. En el caso de la adición al efluente se añade a un tanque de contacto. Al finalizar el tiempo deseado de contacto se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque para sacar el agua tratada. Como el polvo es muy fino se recomienda un coagulante (poli electrolito). Cuando la eficiencia del CAG ha disminuido el tiempo para la remoción del color excede unas dos horas del promedio de las semanas anteriores se debe cambiar. El tamaño apropiado de los gránulos es como mínimo de unos 4 mm de diámetro. Teniendo la presentación en forma de sacos cilíndricos formados a partir de polvo de carbón que se moldea a presión y otros de forma irregular. Es a sí como la naturaleza del carbón se tiene CAG en lignita (mejor adsorción), turba, Carbón bituminoso, Cáscara de Coco, Maderas duras. Todas eliminan sustancias orgánicas coloreadas, la única diferencia es la eficiencia de realizarlo (Salas y García, 1997-2002).
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III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración del carbón activado III.4.1.6.1 Oxidación catalítica El carbón activado se modifica con óxidos de metales activos catalíticamente. La temperatura del aire caliente está entre 240-300ºC, que es relativamente baja y permite llevar a cabo la regeneración. Esperando un gran número de ciclos de adsorciónregeneración sin pérdidas de capacidad. Sin embargo disminuye el área superficial del carbón activado debido a la impregnación con óxidos y se puede producir dilución de metales y presencia de éstos en los efluentes (Matatov-Meytal y Sheintuch, 1997).
III.4.1.6.2 Utilización de microondas Se estudia la posibilidad de utilizar radiación microondas en el proceso térmico(físico), se irradia la muestra en un horno microondas doméstico. Este método permitiría la regeneración del carbón activado en polvo y daría ciclos más rápidos de adsorciónregeneración (Fang y Lai, 1996).
III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento del agua La efectividad de un carbón activo en cuanto a la adsorción de sustancias contaminantes, depende de varios factores: 1) Solubilidad del contaminante en el agua: En general cuanto más soluble es en el agua, presenta más dificultad de ser adsorbido por el carbón. 2) Polaridad del contaminante: Las moléculas con menor o nula polaridad son mejor adsorbidas. 3) Tamaño de las moléculas del contaminante: El tamaño de la molécula contaminante debe ser algo más pequeño que la dimensión de los poros del carbón. Las moléculas mayores también son adsorbidas pero provocan rápidamente la inactivación del carbón al disminuir la superficie útil de adsorción. Se suele establecer que el tamaño de los poros debe ser del orden de 1 a 5 veces el diámetro de las moléculas a retener.
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Las moléculas orgánicas ramificadas son mejor adsorbidas que las lineales, también las moléculas orgánicas con átomos de cloro, bromo o yodo son generalmente adsorbidas con más intensidad. 4) pH: El grado de adsorción de sustancias orgánicas se incrementa en general al disminuir el pH del agua. A pH = 9 el grado de adsorción es relativamente bajo. A la hora de elegir un carbón activo, se deben tener en cuentas las propiedades además de la intensidad y capacidad de adsorción, como son la dureza, permeabilidad, densidad y solubilidad. La eficacia para eliminar sustancias orgánicas con bajo peso molecular (< de 2 átomos de carbono) es menor que en el caso de sustancias con mayores pesos moleculares, este hecho ha de tenerse en cuenta al emplear la ozonización conjuntamente con el carbón activo. El ozono al oxidar a determinados compuestos orgánicos y romper sus cadenas, aumentará el número de compuestos con menores pesos moleculares, más difíciles de ser adsorbidos por el carbón. Las sustancias o moléculas que originan olores y sabores en el agua, suelen ser moléculas pequeñas fácilmente adsorbibles por el carbón activo con porosidad tipo microporos, mientras que para la adsorción de moléculas mayores, ejemplo los ácidos húmicos y fúlvicos, precursores de trihalometanos, es más adecuado el carbón con poros de mayor tamaño o macroporos. El carbón activo es también empleado como medio para minimizar la formación de subproductos de la desinfección. El carbón en polvo se debe aplicar después de la coagulación y formarse el flóculo, es decir, antes de la sedimentación y filtración, tratando así de evitar la película o capa que el coagulante empleado podría llegar a rodear a las partículas de carbón, impidiendo o dificultando la adsorción. En el caso de empleo de filtros de carbón, esta fase del proceso debe tener lugar después de la filtración por arena y antes de la desinfección final del agua.
III.4.1.8 Proceso de adsorción La adsorción se tiene lugar en tres etapas (Metcalf & Eddy, 1996): Macrotransporte. Esta engloba el movimiento por advección y difusión de la materia orgánica a través del líquido hasta alcanzar la interfase liquido - sólido.
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Microtransporte. Hace referencia a la difusión del material orgánico a través del sistema de macroporos del CAG hasta alcanzar las zonas de adsorción que se hallan en los microporos y submicroporos de los gránulos del CA. Sorcion. Mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al CAG. El equilibrio se alcanza cuando se iguala la tasa de sorción y desorción, momento en que se agota la capacidad del Carbón. La capacidad teórica de adsorción de un contaminante por medio del CA se puede calcular con su isoterma de adsorción. Las formulas más empleadas para el tratamiento de los datos experimentales de las isotermas es la desarrollada por Freundlich, para describir características de adsorción del CA. Isoterma de Freundlich. Derivada a partir de consideraciones empíricas.
x 1/ n K f Ce m
(3.21.)
Donde: X/m = Cantidad de adsorbida por peso unitario de adsorbente (carbón). Ce = concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción. Kf, n = constantes empíricas. Las constantes de las isotermas de Freundlich se determinan representando gráficamente la relación entre (x/m) y C, empleando la ecuación 3.21 rescrita de la forma:
log
x 1 log K f log Ce m n
La zona donde se produce la sorción recibe el nombre de Zona de transferencia de masa (ZTM). Una vez que el agua contaminada haya circulado a través de una región del lecho del carbón cuya profundidad sea igual a la ZTM, la concentración del contamínante en el agua se habrá reducido a su valor mínimo. En tal la adsorción no se continuará produciendo por debajo de este nivel. Conforme se vallan saturando los estratos superiores el carbón granulado, la ZTM se irá desplazando hacia abajo hasta
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producirse el agotamiento. Pero para que la ZTM se desarrolle por completo dentro del lecho es necesario que transcurra un cierto tiempo mínimo de contacto sin lecho. El grosor de la ZTM varia en función del caudal que circula por la columna. La capacidad de adsorción del carbono se puede determinar a partir de los datos de las isotermas, representando los datos en una gráfica. La capacidad de adsorción del carbón se obtiene prolongando las isotermas hasta la intersección con una línea vertical trazada por el punto correspondiente a la concentración inicial C o. Entonces el valor de (x/m) Co se lee en el eje de las abcisas del grafico, este valor representa la cantidad de materia adsorbida por unidad de peso de carbón activado una vez alcanzado el punto de equilibrio.
Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. Fuente: http://www.activatedcarbon.com.mx
La capacidad de adsorción de agotamiento de una columna de contacto de CAG a escala real, (x/m), es un % de la capacidad teórica de adsorción obtenida a partir de la isoterma. Pudiendo asumir un valor de la capacidad de adsorción de agotamiento entre el 25 y 50 % de la capacidad de adsorción teórica (x/m)o. Una vez determinado el valor de (x/m)r, el tiempo de agotamiento se puede determinar con la ecuación siguiente:
X C t x r Q Ci r r 2 Mc m r M c
(3.22)
Donde (x/m)r = capacidad de adsorción real, g/g. Xb = masa de material orgánico adsorbido en la columna de CAG al producirse el fenómeno de agotamiento. Mc = masa de carbón contenido en la columna, g. Ci = concentración de materia orgánica al producirse el agotamiento, mg/l. tr = tiempo hasta el agotamiento, d.
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La ecuación 3.23 se basa en la consideración de que C i se mantiene constante, y en que la concentración del efluente varía linealmente entre 0 y C b, despejando la ecuación, el tiempo hasta el agotamiento se puede expresar como:
tb
( x / m) b M c Q[Ci (Cb / 2)]
(3.23)
La aplicación de esta ecuación es en el diseño de una columna de carbón activado. Con el fenómeno de agotamiento en la practica habitual consiste en utilizar dos columnas conectadas en serie e invertir su posición relativa al llegar a su agotamiento, o bien utilizar múltiples columnas conectadas en paralelo de tal modo que el agotamiento de una columna no afecte la calidad del efluente.
III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular El empleo de lechos de carbón se está extendiendo cada vez más en el tratamiento del agua potable, a veces sustituyendo en los filtros convencionales de arena, este material por carbón, como solución más económica, aunque no la más recomendable, lo aconsejable es colocar los filtros de carbón tras la filtración por lechos de arena. El tiempo de contacto generalmente aceptable en los filtros de carbón es del orden de 5 a 10 minutos para un espesor del lecho de 1 metro y una velocidad superficial generalmente algo mayor a los 12 m/h. El tamaño de los granos oscila entre 0.55 a 1.35 mm. En cuanto al lavado a contracorriente de estos lechos, hay que preveer un resguardo suficiente de cara a la expansión que suele variar entre el 20% y el 40% del espesor inicial. En la adsorción de sustancias orgánicas por el carbón puede darse el fenómeno de la desorción, que es el desprendimiento de la sustancia que había sido adherida al carbón, por otras moléculas con algún grupo funcional que se adhiere más estrechamente al carbón. Finalmente, hay que considerar que en los lechos de carbón activo pueden quedar atrapados diversos microorganismos.
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Están diseñados para la filtración de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica, que es la causante del olor, color o sabor en el agua. También ayudan a retener acidez, alcalinidad e hidrocarburos (Acosta, 2000). Según Instapura, (2000) las sustancias orgánicas que pueden pasar más frecuentemente a través de un lecho de CA, son moléculas orgánicas hidrófilas, como los carbohidratos y algunas otras sustancias muy oxigenadas. Estos filtros además se utilizan para reducir efectivamente el sabor y el olor que produce el cloro en el agua. El agua entra por la parte superior del filtro pasa por toda la cama del carbón activado granular, logrando así un máximo tiempo de contacto y en consecuencia una adsorción excelente. Beneficios: Altos flujos Larga vida: no se corroen. Mayor cantidad de agua filtrada entre retrolavados. Menor desperdicio de agua en retrolavados. Tanques de menor diámetro.
III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos filtrantes en grano Empleando carbón en polvo se puede escoger la calidad y tipo de éste, así como la dosis a emplear según el contaminante a eliminar, es decir su empleo ofrece gran flexibilidad y disponibilidad mientras que el empleo del carbón granular a través de filtración, requiere estructuras más complejas y de mayor costo inicial de instalación, así como la necesidad periódica de regeneración del carbón activo, una vez agotada su capacidad de adsorción. Para un empleo discontínuo, se utiliza generalmente el carbón en polvo. Los principales inconvenientes del carbón en polvo, es que su dosis depende de la concentración de equilibrio del contaminante residual en el agua, es decir depende de la pendiente de la isoterma y del porcentaje de eliminación que se desea conseguir del contaminante. Si se quiere eliminar porcentajes entre el 80 y 98 % del contaminante inicial, es más aconsejable el empleo de carbón en grano en filtros, sin olvidar que en el
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caso de los filtros de carbón, la mayor eliminación, puede suponer un alargamiento del frente de adsorción dentro del lecho filtrante. El carbón en granos en lechos filtrantes se ve más afectado por la variaciones en la concentración de los contaminantes. En estos filtros de carbón unos contaminantes pueden fijarse en mayores cantidades que otros y por otra parte algunos contaminantes pueden desplazar a otros ya adsorbidos (desorción). En los lechos de carbón activo de los filtros puede tener lugar la proliferación de determinados microorganismos. La filtración por carbón activo requiere instalaciones con estructuras más complejas y de mayor costo inicial. Una de las grandes ventajas del carbón activo es la no-pérdida o eliminación del producto, al poder regenerarse.
III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo En los últimos años se han buscado otras formas de empleo del carbón activado que permitan reducir el costo del tratamiento.
III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado Estas se obtienen mediante pirólisis de fibras de materiales poliméricos como el poliacrilonitrilo, celulosa, resinas fenólicas y apartir de residuos pesados del petróleo. Las fibras se disponen en forma de tejido antes del proceso de activación. Teniendo una elevada velocidad de adsorción, superior a la del CAG, y además, la disposición de sus macroporos en la superficie de la fibra permite una menor resistencia a la transferencia externa (Brasquet y Cloirec, 1997).
III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado Se obtienen a partir de películas de polímeros como polivinilalcoholes y el policloruro de vinilideno, soportadas sobre materiales cerámicos. La ventaja es que solo en una etapa se realiza la adsorción del contaminante y la filtración del efluente (Sakada y col., 1996). la desventaja es que solo esta en fase experimental.
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III.4.1.12 Principales usos del carbón activo Los usos más destacados por su especificidad, o por lo extendido en el área del tratamiento de agua (García, 1988). Separación para agua potable, de contaminantes orgánicos, biológicos, eliminando las propiedades organolépticas molestas, color, olor, sabor. En abastecimientos de aguas subterráneas, a veces se presenta una contaminación especial debido a aceites minerales. Filtración de los lodos producidos como consecuencia de los procedimientos de separación de hierro y Manganeso por medio de la adición de agentes oxidantes. Tratamientos de acabados posterior a la cloración de aguas potables.
III.4.1.12.1 Potabilización Económicamente su mayor aplicación se encuentra en la potabilización de aguas superficiales, tanto tomadas directamente de los causes y mejor las extraídas del área sumergida de los causes. Actualmente empleado en las plantas purificadoras de cervecerías, de gaseosas, bebidas espumosas no alcohólicas, así como en los cafés y restaurantes. Una de las principales acciones del CA en agua que contiene cloro es su facultad catalítica de transformar el cloro libre en Cl- ya que no es adsorbido por el, sino que lo transforma en cloro combinado (cloruros). Esta actividad se aprovecha para permitir la supercoloración (destrucción de gérmenes y descomposición de materia orgánica por medio de oxidación) de las aguas sin que esta afecte al consumidor.
III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro Según Unitek, (1986) una forma confiable y efectiva de eliminar los microorganismos que pudieran estar presentes en el agua es adicionar suficiente cloro, como para asegurar que un nivel adecuado de cloro libre permanezca en el agua después de 2 horas de contacto. Durante este proceso, el exceso de cloro libre es removido mediante una reducción y una acción catalítica del carbón, que ocurre sobre su superficie, y en el interior de los
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macroporos. Simultaneamente durante el pasaje del agua por el lecho de carbón se producirá también la remoción de sabores y olores desagradables, y de los THM. En la filtración recién mencionada se producen trazas de ácido clorhídrico, que es rápidamente neutralizado por los bicarbonatos presentes en el agua. Para las plantas embotelladoras significa que en el agua tratada, luego de la desinfección (es decir del agregado de cloro), se conservará cloro en exceso que debe ser removido mediante una circulación de arriba hacia abajo a través de un lecho de carbón activado granulado (CAG). La cantidad de cloro libre presente es, para la generalidad de la industria, de 2 a 6 ppm.
III.4.1.14 Concentración de cloro El cloro "ataca" lentamente partículas de carbón en cantidades típicas para agua potable con una concentración de 1 a 2 ppm; pero si se usan concentraciones muy altas mayores de 10 ppm de cloro, este efecto de arranque se magnifica, y la cantidad de carbón liberado del lecho le impartirá un color gris al agua de salida. A su vez, las partículas se hacen tan pequeñas que el filtro no puede retenerlas generándose un problema de finos en el agua a tratar.
III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón El acto de eliminar el cloro convierte al agua en susceptible a la invasión de microorganismos. Así como las capas superiores del lecho eliminan el cloro del agua, las capas más bajas mayormente ricas en nutrientes y no expuestas al cloro son portadoras de proliferación orgánica. El control efectivo de la proliferación de microorganismos en los lechos de carbón es, por otra parte difícil y costoso. El vaporizado del lecho de carbón es considerado generalmente como el mejor método de sanitizarlo. Obviamente, la carcaza que contienen el carbón debe ser capaz de soportar el vapor. Son aconsejables las cañerías de acero inoxidable o bien de bronce o cobre pero no de PVC. Los tratamientos con enjuagues cáusticos sirven para sanitizar los lechos de carbón por su alto pH. Sin embargo, el material cáustico puede requerir 24 horas y más para ser
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eliminado por enjuague con agua, particularmente si el agua es fría. Los residuos cáusticos pueden tener efectos nocivos en los filtros de la ósmosis inversa. Si el agua al introducirse en el nuevo lecho (seco) es tratada primero con UV antes de encontrarse con el carbón, esto serviría para prolongar su estado libre de microbios vegetativos y de microorganismos heterotróficos tales como pseudomonas. En casos donde una contaminación resultaría crítica, el lecho de carbón debe estar bajo constante recirculación para evitar crecimiento orgánico. La velocidad de circulación puede ser lenta, del orden de 2600 lt/h.m 2. Una bomba de baja potencia puede estar dedicada a la recirculación a través de una luz ultravioleta, constituyéndose esto en el esquema más conveniente.
III.4.1.16 Extracción de carbón activo Se está desarrollando la extracción con fluidos supercríticos (SFE), preferentemente dióxido de carbono (Tc=31,1 ºC), debido a las excelentes propiedades de solubilidad y difusividad. En esta técnica no hay residuos de disolvente ya que se puede recuperar y se observa que no disminuye la capacidad de adsorción del carbón activado. Este proceso tiene ciertas desventajas, como que el contaminante sólo es concentrado, se necesita una elevada presión y el costo es elevado (Tomasko y col., 1993). Una aplicación de la oxidación húmeda es la regeneración de carbón activado saturado. Esta técnica regenera el carbón y simultáneamente destruye los contaminantes adsorbidos. Para la regeneración por oxidación húmeda el lodo de carbón activado (510% sólidos) es sometido a oxidación húmeda con aire, a una temperatura entre 200240ºC. Las ventajas de este tratamiento son que supone la regeneración directa del lodo sin pérdidas de agua, no hay emisiones de partículas, las pérdidas de carbón activado son inferiores al 7%, puede ser autosostenida y su costo es relativamente inferior a la regeneración térmica (Mishra y col., 1995).
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III.5 Tratamiento para el Ablandamiento del Agua El método más comúnmente usado para suavizar el agua es a base de filtros de zeolita. Consiste en un tanque o deposito cerrado, del tamaño de un tanque de gas doméstico, lleno de zeolita o resinas catiónicas.
III.5.1 Intercambio Iónico III.5.1.1 Aspectos generales El intercambio iónico es un fenómeno muy frecuente en la naturaleza. Las arcillas, coloide y humus vegetales del suelo, tienen la propiedad de intercambiar, algunos de sus cationes transportados por las corrientes de agua (calcio y magnesio); así la nutrición de la litósfera en lo relativo a sales minerales, depende de las propiedades químicas del suelo especialmente de sus cationes intercambiables y de la capacidad de intercambio del mismo. En los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en el agua para formar partículas con carga, conocidas como iones. Estos iones están presentes por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el agua conduzca electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Los iones comunes que se encuentran en la mayoría de las aguas incluyen los cationes de carga positiva; calcio y magnesio cationes que generan dureza, los cuales hacen que el agua sea ―dura‖ (sodio y potasio). Los aniones de carga negativa incluyen alcalinidad, sulfato, cloruro, y silicio.
III.5.1.2 Definición El Intercambio iónico es una reacción química reversible de un Ion de una dilución es intercambiador por un Ion similarmente cargado, adheridos a una partícula sólida inmóvil. Esos Iones sólidos intercambiables son obtenidos naturalmente o producidos sintéticamente (Creremisinoff, 1995). El intercambio ionico es un proceso de adsorción que emplea el intercambio reversible de iones entre un medio intercambiador de iones y una solución (Gray, 1999).
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Según Ramahlo, (1996). El Intercambio iónico es un proceso en que los iones que se mantienen unidos a grupos funcionales sobre la superficie de un sólido por fuerzas electrostáticas se intercambian por iones de una especie diferente en disolución.
III.5.1.3 Principios de funcionamiento El intercambio iónico es un fenómeno dinámico, corresponde al proceso de sorción lo que implica el contacto que se establece entre una fase fluida con una fase macromolecular, generalmente en forma de gel que contienen grupos ionizables y constituyen un gran Ion insoluble, asociado a iones móviles de carga opuesta. A lo largo de la reacción la estructura física del cambiador mantiene la propiedad de tomar y almacenar en forma selectiva una o más especies de soluto contenidos originalmente en el fluido. Es una red macromolecular mineral u orgánica portadora de cargas eléctricas que retienen a sus alrededor, por simple atracción electrostática, las cargas del signo contrario; estas cargas constituyen los iones móviles o contraiones susceptibles de cambio y capaces de pasar a una disolución. El proceso de intercambio iónico para remoción de compuestos inorgánicos consiste en el paso sucesivo del agua sobre un sólido intercambiados de cationes y un sólido intercambiador de aniones, los cuales reemplazan los cationes y aniones por iones hidrógeno y iones hidróxido, respectivamente (Staniey, 1994). Este método se usa principalmente para eliminar la dureza del agua. Este método de tratamiento consiste en la remoción de los iones indeseables que existan en el agua, transfiriéndolos a un material sólido llamado intercambiador. Cuando este llega a su capacidad máxima se requiere un retrolavado, regeneración, enjuagado y servicio. Los intercambiadores de iones suelen ser del tipo columna con flujo descendente. El agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión, circula en el sentido descendente a través del lecho de resina, y se extrae por la parte inferior. Cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo de lavado a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a la posterior regeneración. La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido fuerte, como el ácido sulfúrico o el hidroclórico. El regenerador de resinas aniónicas más comúnmente empleado es el hidróxido de sodio (Gray,1999).
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Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en las unidades de proceso pueden taponar los lechos de intercambio iónico, provocando grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces (Eddy y Metcalf, 1996).
III.5.1.4 Dureza Como aguas duras se consideran aquellas que requieren cantidades considerables de jabón para producir espuma y producen incrustaciones en las tuberías de agua caliente. En términos de dureza (en mg/l como CaCO3)las aguas pueden clasificarse así (Sawyer, 1967): 0-75 mg/l 75 – 150 mg/l 150 – 300 mg/l >300 mg/l
Blanda Moderadamente dura Dura Muy dura.
Causas de la Dureza. Se considera que es causada por iones metálicos divalentes capaces de reaccionar con el jabón para formar precipitados y con ciertos aniones presentes en el agua para formar incrustaciones. Los principales cationes que causan dureza en el agua y los principales aniones asociados con ellos son los siguientes: Cationes: Ca+, Mg++, Sr++, Fe++, Mn++ Aniones: HCO-3, SO=4, Cl-, NO-3, SiO=3 En menor grado Al+++ y Fe+++ son considerados como iones causantes de dureza. En general, la dureza es igual a la concentración de cationes polivalentes del agua. Desde el punto de vista sanitario las aguas duras son tan satisfactorias para el consumo humano como las aguas blandas. La desventaja que se tiene es que depositan incrustaciones sobre las superficies en las cuales entra en contacto y en los recipientes. En la mayoría de las aguas se considera que la dureza total es aproximadamente igual a la dureza producida por los iones calcio y magnesio, es decir: Dureza total = dureza por Ca + dureza por Mg.
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La distinción es importante para el cálculo de la dosis de cal y soda Ash usada en la precipitación de la dureza con estos materiales. Cuando la alcalinidad es mayor o igual a la dureza total, entonces, Dureza carbonatada (mg/L) = dureza total (mg/l). Esta desaparece cuando se hierve el agua. Esto se produce porque los bicarbonatos sirven como fuente de iones carbonato para precipitar C++ como CaCO3 a temperaturas elevadas, la cual sucede en calderas. Ca++ + 2HCO-3 CaCO3 + CO2 + H2O El cálculo de la dureza causada por cada Ion se efectúa usando la fórmula siguiente: Dureza en mg / L como CaCO3 = M++ (mg / L)X 50 / Masa eq. De M++ En que M++ representa cualquier ion metálico divalente causante de dureza. Según Sawyer, (1967) se requieren aproximadamente 3 mg de NaCl para desplazar cada mg, de dureza removida. De acuerdo con Hammer (1977) las características de operación de una resina de Intercambio Iónico de poliestireno son: capacidad operativa de intercambio 45-80 g/l, tasa de flujo 120-350 m3/m2d, tasa de regeneración 300-350 m3/m2d y tiempo de contacto con la salmuera 25 – 45 min.
III.5.1.5 Materiales de intercambio La mayor parte de los materiales de esferas de intercambio iónico se fabrican usando un proceso de polimerización de suspensión, que utiliza estireno y divinilbenceno (DVB). El estireno y el DVB, ambos líquidos en un principio, se colocan en un reactor químico con más o menos la misma cantidad. Así mismo está presente un agitador para mantener todo disperso (Avilla, 2002). Estas resinas son polímeros insolubles a los que se le añaden grupos básicos mediante reacciones químicas (Ramahlo, 1996). La mayoría de los materiales para el intercambio se basan en resinas sintéticas (poliestireno copolimerizado con DVB), ya que cuando se usaban los cambiadores naturales su capacidad de cambio era débil (Martínez y Gonzáles, 2000). En el tratamiento de intercambio iónico no se producen lodos, sin embargo al regenerarlas se genera un desecho concentrado del contaminante original.
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III.5.1.5.1 Zeolitas Las zeolitas son una familia de minerales aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos, que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 angstroms. Su estructura forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de movimiento que permiten el cambio iónico y la deshidratación reversible. Las zeolitas están compuestas por aluminio, silicio, sodio, hidrógeno, y oxígeno. La estructura cristalina está basada en las tres direcciones de la red con SiO 4 en forma tetraédrica con sus cuatro oxígenos compartidos con los tetraedros adyacentes. Según Breck (1974) citado por Servin (2000) las zeolitas son caracterizadas por las siguientes propiedades: 1. 2. 3. 4. 5.
Alto grado de hidratación. Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado. La estabilidad de su estructura cristalina cuando se deshidrata. Las propiedades de intercambio del catión. Presenta canales moleculares uniformes clasificados en los cristales
6. 7.
deshidratados. Por su habilidad de absorber gases y vapores. Por sus propiedades catalíticas.
Una alta capacidad de intercambio iónico corresponde a zeolitas con baja relación SiO2/Al2O3 (Zsostack, 1989). Las zeolitas pueden ser sintéticas y naturales (ceniza volcánica, arcilla, feldespato, sílice biogénico y formas de cuarzo). Cuando se usan para el ablandamiento del agua, las zeolitas naturales intercambian sus iones de sodio por los iones de calcio y magnesio en el agua, lo que permite la eliminación total de la dureza. Esto es, si se representa una zeolita por Na 2X.
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Ca Ca Na2 X (re sin a) X 2 Na Mg Mg
El agua así obtenida tiene un alto contenido de sodio, que no es probable que cause problema, a no ser que el agua fuera originalmente muy dura.
III.5.1.6 Intercambio y regeneración Cuando se han intercambiado todos los iones de sodio en la estructura, ya no hay remoción de dureza. La regeneración se logra con el uso de una solución de sal que suministre una alta concentración de iones de sodio para invertir la reacción de intercambio.
Ca Ca X 2 NaCl Na 2 X Cl 2 Mg Mg Con lo que se libera la dureza como una corriente concentrada de cloruro. Una zeolita de ciclo de sodio natural tendrá una capacidad de intercambio de 200 equivalentes gramo/m3 con un requerimiento de material regenerante de 5 equivalentes/equivalente intercambiado. También se dispone de intercambiadores de cation de ciclo de hidrógeno obtenidos de compuestos carbonosos naturales o sintéticos con los que se produce agua de dureza cero. Para tal fin intercambian todos los cationes por iones de hidrógeno de modo que la corriente del producto es ácida y su uso principal es como la primera etapa de las operaciones de desmineralización.
Ca Ca Mg H 2 Z Mg 2 Na 2 Na La regeneración es por tratamiento ácido:
Ca Ca Mg Z 2 H H 2 Z Mg 2 Na 2 Na
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Las características comunes de rendimiento para un intercambiador de ciclo de hidrógeno son 100 equivalentes gramo/m3 de capacidad de intercambio y un requerimiento de material regenerante de cerca de 3 equivalentes/equivalente intercambiado. Los intercambiadores de iones que normalmente son derivados sintéticos del amoniaco, aceptarán el agua producto de un intercambiador del ciclo del hidrógeno y producirán agua desmineralizada para laboratorio y otros usos especiales. De manera general, la regeneración de los aniones se realiza con sosa diluida, con agua descationizada para evitar la precipitación de carbonatos o hidróxidos. La regeneración de las resinas catiónicas se realiza con ácido clorhídrico o con el ácido sulfúrico. Las etapas del proceso de permutación ióica son: 1. Intercambio o ablandamiento. 2. Retrolavado a contracorriente, se realiza provocando la expansión del lecho para dejar sueltas las partículas de resinas y asegurar su limpieza. Las velocidades de paso del agua de lavado son de 6 a 8 m/hr para las resinas aniónicas y de 10 a 18 m/hr para las cationicas. La duración es de 10 a 15 min. 3. La regeneración se hace con una sustancia que permita recuperar el ion perdido de la resina (ver tabla 3.2). Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado. Modelos Tipo Base Forma CGS-BL Catiónica Fuerte Na CG-8 Catiónica Fuerte Na CG-8H
Catiónica Fuerte
H
WACMP SGG1
Catiónica
Débil
H
Aniónica
Fuerte
Cl
WBMP MBO
Aniónica Mixta
Devil Fuerte
OH H/OH
Aplicación. Suavización. Suavización, desmineralización. Suavización, desmineralización. Desmineralización. Desmineralización, de alcalinización. Desmineralización. Desmineralización.
Fuente: www.econext.com.mx
Configuraciones para el intercambio Iónico en base a la calidad del agua de alimentación. Doble columna:
(cation – anion).
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Triple columna: Cuatro columnas: Mixta :
(cation – anion – cation). (cation – anion – cation – anion). (cation – anion).
4. Enjuague. La finalidad es eliminar los compuestos originados posiblemente por regenerador. Los ablandadores modernos tienen un método de "regeneración" de la resina con una solución de salmuera (agua salada). La salmuera encharca la resina por tiempo suficiente para permitir la substitución por el sodio del calcio y magnesio fijados en el lecho de resina. El calcio y magnesio son lavados y removidos, dejando el lecho de resina regenerado y listo para ser nuevamente utilizado. Los ciclos de regeneración son establecidos en el momento de la instalación y son basados en la demanda de agua, la calidad del agua de alimentación y el caudal máximo de servicio necesario para atender al usuario. Los ablandadores realizan de igual manera el intercambio y el retrolavado, posteriormente (ver figura 3.4). 3. Aspiración de la salmuera: la solución de salmuera es aspirada del tanque de almacenamiento de la salmuera y entra en el lecho de resina. 4. Enjuague lento: el enjuague de salmuera es lentamente forzado a través del lecho de resina, permitiendo que el sodio force los iones de calcio y magnesio para fuera del lecho de resina. 5. Enjuague rápido: es forzado el pasaje rápido de agua bruta a través del lecho de resina para retirar la salmuera residual y los iones de calcio y magnesio. 6. Completar el tanque de salmuera: el tanque de salmuera es completado con agua para quedar preparado para el próximo ciclo de regeneración.
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Figura 3.4 Instalación del ablandador.
III.5.1.7 Resinas sintéticas Según Avilla (2002) estas consisten en una red de radicales hidrocarburo a los cuales están unidos grupos funcionales iónicos solubles. Las moléculas de hidrocarburos están unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que imparte una insolubilidad y tenacidad global a la resina. La extensión, o grado de reticulación, determina la estructura porosa interna de la resina, y esta no debe ser tan grande que restrinja el movimiento libre de los iones cambiables. Los intercambiadores cationicos son resinas que llevan cationes cambiables y contienen grupos funcionales ácidos, como: el sulfónico, R-SO3H; fenólico, R-OH; carboxílico, R-COOH; y el fosfórico, R-PO3H2. La letra R representa la red orgánica de las resinas. Las resinas aniónicas contienen grupos funcionales tales como; amina primaria, R-NH2; amina secundaria, R-R'NH; amina terciaria R-R'2N; y el grupo amonio cuaternario, R-R'3N+OH-. R' representa radicales orgánicos como el metilo.
III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas. Los requisitos básicos de los materiales de las esferas de intercambio iónico son la insolubilidad, el tamaño de la esfera, y su resistencia a las fracturas. Las resinas de intercambio iónico son fabricadas en dos estructuras físicas, gelatinosa o macroporosa. Las resinas gelatinosas son polímeros homogéneos entrecruzados y son las resinas más comúnmente disponibles. La cantidad de entrecruzamiento de DVB que se utiliza en la síntesis de una esfera determina su fortaleza relativa. La resina catiónica de ácido fuerte que se usa para la suavización, la cual es el medio más común de intercambio iónico, consiste casi
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siempre de un material gelatinoso de 8% DVB. Por lo general estas son más económicas y duran más. Actualmente se encuentran disponibles resinas con un contenido de DVB entre 2% y 20% y aún más. Un mayor contenido de DVB le da aun más fortaleza a la resina, pero el entrecruzamiento adicional puede obstruir la cinética, haciendo que la esfera sea demasiado resistente a la contracción e hinchamiento durante el funcionamiento normal. Las resinas macroporosas tienen una estructura con apariencia esponjosa esto permite que la porción activa de la esfera contenga un nivel elevado de entrecruzamiento de DVB sin afectar la cinética del intercambio. Los ―poros‖ pueden ocupar entre 10% y 30% del polímero. Esto reduce proporcionalmente la capacidad de intercambio iónico. Mientras mayor sea el área en una resina aniónica macroporosa, mejor será su resistencia a la incrustación. En una resina catiónica, un mayor nivel de entrecruzamiento proporciona mejor resistencia a la oxidación. Existen dos tipos principales de estructuras químicas, estirénicas y acrílicas. Las primeras son hidrocarburos aromáticos. Las resinas acrílicas son hidrocarburos de cadena recta basadas en poliacrilato y polimetacrilato. Cuando una resina acrílica se degrada químicamente, ocurre en el sitio de intercambio, destruyendo su estructura física, y cuando se oxida ésta se hinchará y ablandará. Sus usos están limitados a aplicaciones industriales.
III.5.1.8 Selectividad de resinas La selectividad o afinidad de resinas de intercambio iónico es influida por las propiedades de la esfera, los iones intercambiados, y la solución en la cual están presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio iónico. Las resinas cationicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad este contenido tiene un impacto sobre la selectividad. El alto contenido de humedad ocasiona una mayor porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen una mayor selectividad hacia los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto.
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Una resina catiónica agotada que se utiliza para suavizar por lo general se encuentra en forma de calcio o magnesio, de los cuales ambos son iones bivalentes. La resina es restaurada a su condición regenerada, la forma del sodio, introduciendo una solución de 10% de cloruro de sodio. Esta solución de cloruro de sodio se encuentra lo suficientemente concentrada 100,000 partes por millón (ppm) como para revertir la selectividad. La fuerza impulsadora del Ion monovalente de sodio luego convierte la resina a la forma de sodio.
III.5.1.9 Tasa de intercambio La tasa de intercambio, o cinética, de las reacciones de intercambio iónico es gobernada por varios factores. La solución que está siendo tratada; las concentraciones más altas de solución pueden acelerar la velocidad de la reacción. La cantidad de entrecruzamiento de DVB en la esfera determina la porosidad de la esfera y, además, la movilidad iónica dentro de la esfera. El tamaño de los iones que están siendo intercambiados influye en la velocidad cinética y depende un tanto del tamaño de los poros en la estructura de la resina. La resina tiene una mayor afinidad hacia los iones de mayor valencia, por lo que la predominancia de iones de alta valencia puede causar una mayor tasa de reacción. Otros elementos que influyen la temperatura, la forma iónica de los sitios de intercambio, y la fortaleza de los sitios de intercambio. Una mayor temperatura puede acelerar las reacciones químicas. Además, la fortaleza del sitio de intercambio, ya sea fuerte o débilmente ácido o básico, afecta la tasa de reacción.
III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el tratamiento de aguas Según Rogola (1999) la mayoría de las resinas empleadas hoy en día son sintéticas, basadas en un copolimero de estireno-divinilbenceno, tratado apropiadamente para añadirles los grupos funcionales. La sulfonación da lugar a resinas cationicas y la afinación a resinas aniónicas. Algunas resinas tienen una matriz acrilica en lugar de estireno, u otros grupos polimerizantes (opoxi). Resinas catiónicas de ácido fuerte: Derivan su funcionalidad de los grupos ácidos sulfónicos. Estos intercambiadores funcionan a cualquier nivel de pH, dividen todas las
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sales, y su regeneración es mas frecuente. Esta es la resina que se escoge para las aplicaciones de suavizado (en ciclo sodico, regenerando con ClNa, al 10 % empleando 100 a 300 g de ClNa por litro, (reaccion1 y 2) y como primera unidad en un desmineralizador (en ciclo ion hidrógeno, regenerado con ácido reacción 3 y 4) de dos lechos, o como componente catiónico de un lecho mixto. Estas tienen selectividad para cationes trivalentes, intermedia divalentes e inferior los monovalentes. La velocidad del I.O (intercambio ionico) es rápida y de poca fuga iónica. Son muy estables y pueden durar hasta mas de 20 años. Se hinchan poco menos del 8 % al pasar de la forma Na + a la H-. Operan a temperaturas altas de más del 1000 °C. Resinas catiónicas de ácido débil: Contienen grupos carboxílicos como sitios de intercambio. Captan el calcio y magnesio de la alcalinidad bicarbonatada, liberando ácido carbónico (reacción 5) que se puede eliminar de manera simple y barata por desgasificación mediante aeración no operan a pH inferior a 7, necesitando una acción tamponante. Su capacidad es el doble que la catiónica fuerte, aunque su fuga de calcio es baja, es alta la de sodio. Incluso se puede emplear en su regeneración el exceso de ácido usado en la regeneración de la cationica fuerte. Su inchamiento al pasar de la forma Na+ a H+, del orden del 90 %. También son más resistentes a oxidantes como el cloro. Las resinas catiónicas débiles están sujetas a una menor capacidad por un aumento en la velocidad de flujo, temperaturas bajas, y una proporción entre la dureza y la alcalinidad menor de 1.0. Resinas aniónicas de base fuerte: Son capaces de eliminar todos los aniones de ácidos débiles o fuentes operando a cualquier ph (reacción 6 y 7). Su selectividad para los aniones divalentes es superior a los monovalentes. Son menos estables que las homólogas catiónicas, su duración bastante inferior y resisten temperaturas límite inferiores. Absorben irreversiblemente los ácidos húmicos de descomposición vegetal, perdiendo capacidad. Para su protección se puede usar una columna previa de resina aniónica débil o de carbón activo. Resinas aniónicas de base débil: Eliminan los aniones de los ácidos fuertes, Cl=, SO4, NO3-, pero no los de los ácidos débiles, CO3=, CO3H-, SiO3H-, y no funciona a pH superior a 6. Su capacidad es el doble de las aniónicas fuertes y resisten el ensuciamiento orgánico. Su hinchamiento es del orden del 20 % en la forma OH -.
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Aunque no eliminan el carbónico o la sílice, son utilizadas después de una catiónica fuerte para disminuir el costo de regenerantes y proteger las aniónicas fuertes de la materia orgánica, y hasta eliminar color del agua. Según Rogola (1999) las principales reacciones de Intercambio Iónico son: (1) SO4Ca 2[ RSO3 ]Na [ RO3 ]2 Ca SO4 Na2 (2)[ RSO3 ]2 Ca 2ClNa 2[ RSO3 ]Na Cl2Ca (3)2[ RSO 3]H SO4Ca [ RSO3 ]2 Ca SO4 H 2 (4)[ RSO3 ]2 Ca 2ClH 2[ RSO3 ]H Cl2Ca (5)2[ RSO3 ]H (CO3 H ) 2 Ca [ RSO3 ]2 Ca 2CO3 H 2 (6)[ R]OH ClH [ R]Cl H 2O (7)[ R]Cl NaOH [ R]OH ClNa
III.5.1.11 Desmineralización La desmineralización es un proceso mediante el cual se eliminan sólidos disueltos en el agua en base a resinas de intercambio Iónico. La cantidad de sólidos disueltos en el agua se puede medir en base a conductividad eléctrica o resistencia que es inversamente proporcional, para aguas que tienen muy pocos sólidos disueltos es más eficiente medir la resistividad, no hay agua que tenga ―cero‖ absoluto, lo mas cercano a cero expresado en resistividad es 18.3 millones de ohms (Rogola, 1999). Las etapas para elegir el sistema de desmineralización son las siguientes (Rogola,1999):
Determinar la calidad y volumen diario del agua requerida. Analizar la calidad de los suministros de agua disponible. Seleccionar el tipo de pretratamiento necesario. Decidir el sistema de desmineralización y el tipo de resina. Especificar la duración del ciclo, el tiempo de regeneración y la disponibilidad de almacenamiento de agua tratada. Determinar en función de las capacidades de intercambio, velocidades de paso, nivel de regenerante y parámetros físicos, los volúmenes de resina y demás características del sistema.
La operación de intercambio Iónico debe ir precedido del pretratamiento adecuado. Se debe eliminar la materia en suspensión y la materia coloidal que puede ensuciar las
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resinas, reduciendo la cinética de difusión de los iones y colmatarlas creando caminos preferenciales con disminución de la eficiencia. Los pretratamientos, según la calidad del agua de partida pueden incluir una descarbonatación previa, una decantación y una filtración. El sistema de dos columnas cation fuerte-anion fuerte se aplica en instalaciones de baja inversión. El sílice admisible es de 0.02 a 15 ppm. Si la alcalinidad es alta conviene disponer de un desgasificador entre ambas resinas para eliminar el CO 2 liberado aunque implica un bombeo adicional.
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III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización El diseño de los recipientes de intercambio ionico responde al requisito de operar con lecho profundo de resinas introducidas en columnas, dando un flujo de agua estacionaria y tranquilo. El material de construcción debe ser resistente a la corrosión. En el ablandamiento es suficiente que sea resistente a la solución salina, pero en la desmineralización se emplea generalmente muy corrosivos. En pequeños diámetros se pueden emplear columnas de poliéster reforzado, pero en caudales importantes se construye de acero, interiormente ebonitado. La altura de los lechos de resina se sitúa entre 70 y 150 cm a mayores alturas representarían pérdidas de eficiencia hidráulica. La cámara de expansión para el lavado y la dilución de las resinas se suele formar de un 50 a un 75 % de la altura del lecho para las catiónicas y de un 100 % para las aniónicas menos densas.
III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico Las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas son las siguientes: Se adopta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de las impurezas iónicas son relativamente bajas. Las resinas actuales tienen alta capacidades de intercambio que permiten conseguir procesos compactos requiriendo inversiones moderadas. Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
III.5.1.13 Cálculo de un suavizador A continuación se muestra el procedimiento para seleccionar un modelo de suavizador, para ello es necesario reunir la siguiente información: Flujo de Agua (expresado en galones) Horas de Operación Dureza Total del Agua (expresados en ppm o mg/l) Divida la dureza del agua entre el factor de conversión 17.7 y obtendrá los Granos de resina que se necesitan para suavizar un galón de agua (GPG = Granos Por Galón).
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Dureza total (ppm) ÷ 17.7 = GPG (Granos por galón) Multiplique los GPG por el consumo de agua diario (gpd), para obtener cuantos granos son necesarios para suavizar toda el agua que se consume en un día GPG x Galones por día = Granos necesarios en un día Para obtener la cantidad de resina, es necesario definir cuanta sal requerimos para regenerar. Si la regeneración se hace con 15 lbs de sal por cada pie cúbico (ft 3) de resina, se obtendrá mayor capacidad de resina, pero un mayor consumo de sal. Por lo contrario, si se regenera con 5 lbs de sal por cada pie cúbico (ft3) de resina se obtendrá menor capacidad de resina pero un ahorro de sal. 1 ft3 = 30,000 granos por 15 lbs. de sal 1 ft3 = 25,000 granos por 10 lbs. de sal 1 ft3 = 30,000 granos por 5 lbs. de sal Es importante decir que los equipos siempre se diseñan con una regeneración a 15 lbs por ft3, lo que hace que el equipo sea el mas pequeño disponible. Recuperación de inversión rápida, alto consumo de sal. Cuando se tiene grandes consumos de resina, los suavizadores se regeneran con 5 lbs de sal, esto es un 50% menor capacidad en la resina y un consumo de solo 33% de sal. Ahorro a largo plazo y retorno de inversión lenta.
III.6 Tratamientos para Desinfectar el Agua La eliminación de los microbios del agua para beber y cocinar es tarea primordial para la salud y debe ser el principal objetivo de cualquier sistema de purificación de aguas domesticas.
III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos. Hay tres métodos físicos para eliminar los microbios del agua: uno es mediante la aplicación del calor; otro mediante la radiación ultravioleta y el tercero a través de una membrana de ósmosis inversa.
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III.6.1.1 Luz Ultravioleta III.6.1.1.1 Aspectos generales La luz ultravioleta es un método de desinfección del agua que es relativamente nuevo en México y han provocado el retiro de los medios tradicionales de desinfección química, siendo la opción conveniente para la ecología. Además de resolver los problemas microbiológicos de desinfección, sin el cambio del sabor ni el olor del agua.
III.6.1.1.2 Reseña histórica Los efectos germicidas de la energía radiante del sol fue reportado por primera vez por Downs y Blunt en 1878. La aplicación practica de UV requirió sin embargo el desarrollo de la lámpara de vapor de mercurio como fuente de luz UV artificial en 1901 y el reconocimiento del cuarzo como la envoltura ideal de la lámpara en 1905. Los primeros intentos experimentales para usar rayos UV como desinfectante de agua se hicieron en Marsella, Francia en 1910. La luz UV fue usada en los Estados Unidos entre 1916 y 1926, para la desinfección de agua y empleado en barcos para proveer agua potable. Sin embargo, el bajo costo de la desinfección de agua con cloro combinado con problemas operativos y de confiabilidad observados en los primeros equipos retardaron el crecimiento en la aplicación de radiación UV hasta el decenio de 1950 (Wolfe, 1990). Las instalaciones prácticas de desinfección UV para agua potable ocurrieron en Suiza y Austria en 1955. González, (2001) las longitudes de onda fueron de 254 nm y las aplicaciones se realizaron para el agua. Con el descubrimiento de subproductos clarinados, la desinfección UV se hizo popular en Noruega, ocurriendo la primera instalación en 1975, y en Holanda en 1980.
III.6.1.1.3 Luz UV Según Dias y Liliana, (2002) aseveran que la luz UV es una fuente de energía del espectro electromagnético de radiación la cual tiene la capacidad para penetrar la pared celular de un microorganismo vivo, modificando la estructura del ADN (ácido desoxirribonucléico) y evitando con ello su reproducción (ver figura 3.5). A pesar de que la secuencia genética es alterada mayormente a 254 nm encontramos ventajas adicionales en los emisores multi-onda (presión media), los cuales proporcionan el
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intervalo completo del espectro UV, que alteran las enzimas del citoplasma, y proteínas de la pared celular (ver figura 3.5).
Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en modificado. un microorganismo. Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)
Los microorganismos que se encuentran en el agua con mayor frecuencia presentan una amplia variedad de estructuras celulares, y para su identificación se agrupan en bacterias, virus, protozoarios, hongos, algas, fermentos y moho. Debido a la estructura individual de las células, los niveles de energía necesaria para una acción germicida destructiva pueden variar. Esta fuente de energía esta situada entre las bandas de rayos X y la luz visible, con longitudes de onda que van desde 180 hasta 400 nanómetros (nm). Cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la energía producida. La luz UV, está constituida de cuatro regiones del espectro o áreas (Meulemans, 1986): UV vacio (100 – 200 nm), específicamente en una longitud de onda de 185, es apropiada para la producción de ozono. UV-A ( 315 – 400) o luz ultravioleta de larga longitud de onda, que ocurre entre los 325 y los 390 nm, está representada por la luz del sol. Este rango tiene muy bajo valor germicida. UV-B (280 – 315) o luz ultravioleta de mediana longitud de onda (Eriteme o golpe solar) ocurre entre los 295 y los 325 nm y es más conocida en las lámparas usadas para bronceado. Estas ondas medianas también pueden encontrarse en la luz del sol y tienen algo de efecto germicida con la exposición prolongada.
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UV-C (200 – 280) es una luz ultravioleta de pequeña longitud de onda que ocurre entre los 200 y los 295 nm y es donde ocurre la acción más germicida. La acción germicida óptima de la UV ocurre a los 265 nm. Es la apropiada para la eliminación de microbios.
III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas El sol es una fuente de la luz ultravioleta, la absorción de radiación de longitud de onda corta por la capa de ozono de la tierra impide que alcancen la tierra cantidades significativas de UVB y UVC, NASA, (1972) citada por Martinez y Gonzales (2000). Por ello, las aplicaciones prácticas de desinfección UV depende de fuentes artificiales de UV. Las fuentes de UV más comunes son lámparas de arco de mercurio de baja y mediana presión. Básicamente, se utilizan dos tipos de lámparas en un proyecto de luz ultravioleta:
Presión de mercurio baja Presión de mercurio mediana
Actualmente se utilizan lámparas de baja presión y alta potencia. La ventaja reside en la reducción del número de lámparas, lo que aumenta la potencia del sistema y disminuye el costo. Por lo general las lámparas de UV consisten de un tubo herméticamente cerrado de sílica vitreosa o cuarzo (transmisores ambos de UV), con electrodos a ambos extremos (Phillips, 1983). El tubo es llenado con una pequeña cantidad de mercurio y un gas inerte, usualmente argón a presión de algunos torricellis (torr). Los electrodos están compuestos usualmente de tungsteno con una mezcla de metales de tierra alcalinos para facilitar la formación del arco dentro de la lámpara. Una descarga de gas es producida por un voltaje elevado a través de los electrodos. La luz UV es emitida desde la lámpara cuando el vapor de mercurio excitado por la descarga, retorna a un nivel menor de energía. El argón presente ayuda para el arranque de la lámpara, extender la vida del electrodo, y reducir las pérdidas térmicas. Debido a las características de resistencia eléctrica negativa de las descargas de gases, la operación estable de una lámpara de arco de mercurio requiere de un balasto adecuado. Los balastos pueden ser caracterizados como electromagnéticos o electrónicos, figura 3.7 (O’Brian et al, 1995).
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Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto. Fuente: Phillips, 1983.
III.6.1.1.5 Generación de la UV La luz ultravioleta es producida como resultado del flujo de corriente a través del vapor de mercurio entre los electrodos de la lámpara (Pietrobon, 2002). La luz UV es radiada por tubos de cuarzo que contienen vapor de mercurio (misor). Cuando se conduce una corriente eléctrica en los polos, se genera un arco voltaico que ioniza a los átomos de esta manera (Hg), en donde los electrones incrementan su energía hasta que son convertidos en fotones de luz UV (Dias y Liliana, 2002) (ver figura 3.8).
Figura 3.8 Generación de UV. Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)
(Gonzáles, 2001) menciona que la luz UV se genera mediante las lámparas UV, conocidas como germicidas, que son similares en diseño a las fluorescentes. La luz UV es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco foto voltaico), a través de vapor de mercurio a baja presión, entre los electrodos de la lámpara, produciendo la mayor parte de su emisión a 253.7 nm = 2.537 A°.
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III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección Dimerización DNA Los microorganismos son inactivados por luz UV como resultado del daño fotoquímico a sus ácidos nucleicos. La radiación UV es absorbida por nucleotidos, los bloques de construcción del DNA y RNA celulares en una manera dependiente de la longitud de onda con picos de cerca de 200 y 260 nm (Sonntag y Schuchmann, 1990). El UV absorbido promueve la formación de uniones entre nucleotidos adyacentes, creando moléculas dobles o dímeros (Jagger, 1967). La formación de dímeros de tiaminatiamina dentro de un microbio impide que éste duplique su DNA y RNA, impidiendo así su reproducción. El espectro de E.Coli alcanza su punto máximo a las longitudes de onda de cerca de 265 nm y de cerca de 220 nm. Mecanismos de Reparación Muchos microbios tienen un sistema metabólico con varios mecanismos de reparación de los ácidos nucleicos dañados (Jagger, 1967). Los virus no tienen mecanismos de reparación para invertir el daño creado por la luz UV. La habilidad de la bacteria y otros microbios para fotorepararse está relacionada directamente a la extensión del daño UV, la exposición a la luz reactivadora entre 300 y 500nm, al pH y temperatura del agua. Debe ocurrir exposición a luz entre 300 y 500nm dentro de dos a tres horas para que pueda propiciarse el efecto fotoreparador (Groocock, 1984). La Cinética de Inactivación y el Concepto de Dosis UV La cinética de inactivación microbiana por UV es citada a menudo siguiendo la ley de Chick: N N o e klt
(3.24)
Donde: No es la concentración inicial de microbios previa a la aplicación de UV, N es el número de microbios que restan después de la exposición a la luz UV. I es la intensidad UV, t es el tiempo de exposición, y k es la constante del ritmo de inactivación.
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Una interpretación útil de esta ley es que por cada incremento en dosis UV igual a 2.3/k hay una reducción en el orden de magnitud de la población microbiana. La dosis germicida generada por una lámpara de presión mediana de arco de mercurio puede ser definida como: Dosis UV
315nm
I ( )G( )t
(3.25)
200nm
Donde: I() = es la energía de salida de la lámpara de mediana presión dependiente de la longitud de onda, G() = es el espectro de acción dependiente de la longitud de onda del microbio siendo inactivado.
III.6.1.1.7 Tasas de inactivación Las tasas de inactivación microbiana varían dependiendo de la especie microbiana, y la longitud de onda de la luz UV. Es así como las bacterias son menos resistentes a UV a 254nm que los virus, los cuales a su vez son menos resistentes que las esporas de bacterias. Mientras que quistes de protozoarios son considerados como los patógenos microbianos más resistentes a UV a 254nm. La temperatura de agua y pH tienen poco o ningún impacto en la tasa de inactivación de microbios por UV (USEPA, 1996). En estos casos se requiere dosis UV más altas caso especial de esporas bacterianas (Munakata et al, 1991). El virus humano patogénico más resistente a UV descrito por varios autores es el Rotavirus (Reovirus) el cual fue reportado ser 11 veces más resistente a UV que E.Coli (Harris et al, 1987) y el virus de poliovirus y hepatitis A, son solamente de 2,5 veces más resistentes que el E. coli. Sin embargo las evidencias de estudios realizados por el Grupo del IAWPRC (1991) sobre microbiología del agua indica que hay una diferencia menor de cuatro veces en la resistencia del E.coli y virus a UV. Así los Rotavirus fueron encontrados similares al E.coli en su sensibilidad al cloro, pero poliovirus y algunos virus entéricos fueron reportados ser 40 o más veces más resistentes al cloro que E.coli (Engelbrecht et al, 1978; Scarpino et al, 1974). Victor Cabelli reporta (comunicación verbal) que el virus Norwalk que cuenta entre 20 y el 40% de la gastroenteritis aguda causada por el agua es resistente más de 100 veces al cloro que el E.coli.
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Trabajos pasados indican que parásitos protozoarios como el Giardia Llamblia y el Cryptosporidium Parvum son más resistentes a UV que bacterias y virus, requiriendo una dosis UV de 80 mWs/cm2 para obtener una reducción de un log.
III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis Los requerimientos de dosis UV pueden ser determinados usando ya sea un aparato de rayo colimado usado como patrón en un laboratorio o una unidad piloto de desinfección instalada in situ. El estándar de la Fundación Nacional de Sanidad (NSF) ANSI/NSF estándar 55- 1991 define dos estándares para sistemas UV de punto de uso (POU) y punto de entrada (POE). Los estándares son: Clase A. Diseñada para desinfectar virus y bacteria a niveles seguros. Asi mismo deben proveer una dosis de 38 µWs/cm2. Clase B. Diseñada para desinfección suplementaria de agua pública tratada y desinfectada. Ellas deben proveer una dosis de 16 µWs/cm 2. NSF estableció que una dosis de 16 mWs/cm2 suministraría una reducción mayor de 2 logaritmos de una bacteria heterotrópica no formadora de esporas y una dosis de 38 mWs/cm2 proveería 4 logs de remoción de virus. El estándar NSF 55 no está diseñado para aguas de fuentes contaminadas como aguas residuales. Además, si se va a tratar aguas superficiales, se debe usar un prefiltro para reducción de quistes. A continuación se muestra una tabla de dosis recomendada para agencias y algunos países. Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV. Recomiendan y Exigen EPA (Agencia de Protección del Medio Ambiente), de los estados Unidos. Agencia Americana de plantas de agua potable
Dosis 2 recomendada(mWs/cm ) 21 a 36 (requiere) para proveer respectivamente una reducción de 2 a 3 logaritmos del virus de hepatitis A. 40(recomendado)
Lugar aplicado
Sistemas municipales pequeños.
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Continuación... Estados unidos
16 (exigen)
Estados unidos
requieren cumplimiento con el Estándar ANSI/NSF 55 Clase A 16,30 y 25(requeridas)
Europa
Utah, New Jersey y Pennsylvania Arizona, Delaware, Massachusetts, North Carolina y Wisconsin Noruega, Austria y Francia.
Fuente: USEPA, (1993).
III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores Las lámparas germicidas Estas funcionan a diferentes potencias variando de 10 a 50 o más watts. El diámetro es de 15 mm y las longitudes son variadas, según la aplicación. La emisión germicida de la lámpara disminuye gradualmente en su vida útil, debido a que el cristal se solariza (opaca) disminuyendo la intensidad emitida. Los rangos de vida útil de las lámparas existentes en el mercado oscilan entre 6000 hr para el caso de las utilizadas para los acuarios hasta las 10000 hr. Para una adecuada emisión la lámpara debe operar a 40 °C. El Reactor y su diseño La hidrodinámica del reactor determina el tiempo de contacto. Es importante su diseño por que en él actúa la dosis de UV. Las variables involucradas son: el caudal, el tipo de flujo en el reactor, los efectos de sombra y la configuración de las lámparas en el caso de sistemas múltiples. El material del reactor puede ser de Acero inoxidable, acero esmaltado al horno, de plástico. Para la industria embotelladora y farmacéutica la calidad del material debe ser en acero inoxidable 316L ó 304, soldado en ambiente inerte y con terminaciones de grado sanitario, es decir pasivo y electro pulido, (Esp.: MIL S-5002). En el Reactor se deben considerar, los coeficientes de absorción de la radiación de la luz UV los cuales determinaran el grado de esterilización (González, 2001):
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* Agua potable * Agua destilada * Agua desmineralizada * Agua superficial
: de 0.005 a 0.15 : 0.01 aprox. : 0.005 : 0.3 a 0.5
Los diseños de reactores UV pueden ser clasificados ya sea como sistemas de canal abierto (desinfección de aguas residuales), sistemas de canal cerrado sin contacto, o sistemas de contacto en canal cerrado (desinfección de agua potable). La camisa de cristal de cuarzo protege las lámparas de daño y en el caso de las lámparas de baja presión, aíslan térmicamente las lámparas del agua permitiendo por ello su operación a una temperatura óptima independientemente de la temperatura del agua. Cuando un reactor UV ha sido diseñado hidráulicamente para aproximarse a un reactor UV ideal, la dosis UV administrada por el reactor puede ser calculada usando: reactor reactor DosisUV I promedio x t residencia I promedio xVol
(3.26)
Q
Donde: el t residencia es el tiempo de residencia del reactor con un volumen efectivo, Vol, pasando un flujo de agua Q. El volumen efectivo dentro del reactor es el volumen de agua expuesta a la luz UV y la intensidad promedio dentro del reactor es calculada para el volumen efectivo. La dosis UV calculada usando la intensidad promedio es a menudo mayor que la dosis calculada usando la intensidad medida en la pared del reactor.
III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección La luz UV elimina completamente la presencia infecciosa de virus, bacterias, hongos, etc. Los virus y bacterias tan peligrosas como: hepatitis, cólera, influenza, E coli, Hanta y staphylococus son esterilizados por la luz UV, impidiendo replicarse. Factores que afectan la Administración de la Dosis UV Los factores operativos que impactan la administración de dosis por un reactor UV a los microbios incluyen el suministro de electricidad, envejecimiento de la lámpara, incrustación de la camisa de cuarzo, los aspectos hidráulicos del reactor, absorbencia
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de UV por el agua, temperatura del agua y la localización de los microbios dentro de la particulata. El envejecimiento de la lámpara puede ser atribuible a fallas de electrodos (apagado y encendido), solarización de la cobertura de la lámpara e impregnación de mercurio dentro de la envoltura de la lámpara (Phillips, 1983). El ensuciado de la camisa de cuarzo debido a la acumulación de incrustaciones inorgánicas (cuando esta operando) y biopelículas orgánicas (Blatchley et al, 1993). Según Lupal, (2001) la efectividad de la UV en la eliminación de contaminación microbiológica depende de las cualidades físicas de la alimentación de agua. Los parámetros más importantes a considerar en el uso de un sistema de UV son: Sólidos suspendidos. Causan un problema en que los microbios se esconden tras la coraza de los sólidos así pueden pasar a través de los esterilizadores sin tener una penetración directa de la UV. Fierro manganeso. Causan incrustaciones en el tubo de cuarzo a niveles bajos de 0.03 ppm de fierro y 0.05 ppm de manganeso. Calcio y magnesio. Su dureza permite la incrustación en la lámpara o en el tubo de cuarzo, este problema se hace notar especialmente a bajos flujos cuando estos se unen a los carbonatos y sulfatos para formar la incrustación dentro de la cámara del esterilizador y en la lámpara o tubo de cuarzo. Otros compuestos absorbentes como el ácido húmico o fúmico así como las taninas reducen la cantidad de energía ultravioleta para que penetre a través del agua y afecte el material genético. Con aguas potables tratadas, los compuestos que absorben UV resultan a menudo en una transmitancia UV de 70 a 98% a 254nm sobre una distancia de 1 cm. La temperatura del agua puede tener un impacto directo sobre la energía UV de salida y la transmisión de calor de la lámpara al agua circundante dependerá del diseño de la camisa de cuarzo. La dosis administrada a los microbios en el agua variará dependiendo si estos están presentes como células individuales (más susceptibles a la desinfección) o encerrados dentro de particulados; por lo que su inactivación de particulados dependerá del tamaño de partícula, estructura, y composición.
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Los modelos actuales constan de partes o medidores de partículas para cuantificar su presencia de particulados en agua potable. Mediciones de Sólidos Suspendidos Totales (SST) y turbiedad entre otros.
III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable En el agua de pozo, la tierra actúa como un biofiltro masivo reduciendo la concentración de COA(carbón orgánico asimilable) y filtrando quistes de protozoa, bacterias y virus. En el caso de agua subterránea que no esté bajo la influencia de agua superficial, la desinfección UV puede ser usada directamente sobre el agua con mínimo pretratamiento. Una posible preocupación es la presencia de iones inorgánicos que pudiesen contribuir a la formación de incrustaciones sobre las camisas de las lámparas. En el caso de aguas superficiales, la presencia de quistes de protozoarios, SST, y niveles mayores de COA tiene que ser tomada en consideración. Mientras que dosis más elevadas de cloro pueden ser usadas para inactivar quistes de Giardia, el cloro es inefectivo contra Cryptosporidium. La filtración ofrece la solución más práctica para la remoción de quistes protozoarios y la remoción de SST. Al aplicar UV para inactivar bacteria patogénica y virus, se deben usar cloraminas o control de COA para proteger el sistema de distribución de crecimiento microbiano.
III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento Las unidades de desinfección UV deben ser ubicadas para facilitar acceso fácil para fines de mantenimiento. Los operarios deben poder calibrar los sensores de supervisión, revisar los dispositivos contrafalla, limpiar camisas de lámpara, inspeccionar y limpiar superficies internas del reactor, examinar sellos, reemplazar lámparas viejas, y supervisar la calidad del agua. Se debe efectuar el llenado de la unidad UV de desinfección y del sistema de distribución usando un desinfectante químico antes del arranque del sistema UV y siempre que se necesite en el futuro. Se debe tener un suministro adecuado de piezas de repuesto incluyendo por lo menos una lámpara, camisa y balasto para facilitar el mantenimiento.
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III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección La habilidad de la luz UV de promover reacciones fotoquímicas sirve de base a dos tecnologías UV del medio ambiente: Desinfección UV y oxidación avanzada. La oxidación avanzada usa la energía de la luz UV sola o en combinación con oxidantes que se agregan para promover la destrucción de químicos orgánicos peligrosos. Sin embargo, la oxidación avanzada usa una dosis mayor que la utilizada para desinfección UV para obtener resultados prácticos de oxidación con una amplia variedad de compuestos orgánicos. Varios estudios indican que la UV genera subproductos pero Kool (1985) y Kruithof y van der Leer (1990) confirman que de la desinfección UV no resulta la formación de subproductos mutagénicos o carcinogénicos ni causa la descomposición por oxidación de polímeros microbianos con base de azúcar. A diferencia de cloro y ozono (Rice et al, 1991; Akhlaq et al, 1990). La radiación UV bajo 240nm puede promover la conversión de nitrato a nitrito. Groocock (1984) reportó una conversión de 1% de nitrato a nitrito durante la desinfección de agua potable usando UV. En síntesis la formación de subproductos de desinfección durante la desinfección de agua potable es despreciable y no se ha podido determinar un nivel medible de incremento en la toxicidad del agua atribuible a subproductos de la desinfección por UV.
III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV El rango de precios de los equipos de desinfección UV varían ampliamente, de US$300 a más de US$1000 dependiendo del caudal y marca. Aproximadamente dos tercios de los equipos UV son adquiridos a través de contratista; 19% directo del fabricante y 14% a través de distribuidor o terceros. Dado que el costo del equipo es una parte importante del costo de capital, se estima que el costo de capital sea el costo del equipo más 20% (USEPA, 1996). Los mayores costos de operación y mantenimiento incluyen costo de repuestos, costo de energía y mano de obra.
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III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV La tecnología UV actualmente se usa en un conjunto extenso de aplicaciones desde la protección básica de agua potable doméstica debido a un pozo contaminado hasta un tratamiento final para enjuagues de limpieza de partes electrónicas libre de gérmenes. Para González, (2001) las aplicaciones de esterilizar el agua son: Procesos industriales tales como: bebidas, laboratorios, etc, donde se requiere agua sin presencia de cloro y libre de gérmenes patógenos. Uso domiciliario donde existe peligro de contaminación microbiólogica y no se desea agregar químicos. Para esterilizar las aguas que emiten las plantas de tratamiento de Aguas Servidas.
III.6.1.1.16 Ventajas de la UV Las principales ventajas de usar luz ultravioleta se citan a continuación: El mantenimiento es muy simple, pues solo necesita un reemplazo anual de la lámpara y limpieza de tubo de cuarzo de vez en cuando. Dependiendo de la calidad del agua, la limpieza no puede ser necesaria. Proceso de tratamiento inmediato, ninguna necesidad de tanques de retensión. Sumamente económico, centenares de galones pueden tratarse por centavos de costos de operación. A diferencia de los desinfectantes químicos, UV no le agrega químicos tóxicos al agua potable ni promueve la formación de subproductos mutagénicos ni carcinogénicos. Por lo que no hay ningún cambio en el olor, pH o en la conductividad, y tampoco en la química general del agua. Destruye en más de 99.9 % los microorganismos (González, 2001). Es más efectivo que el cloro contra los virus. Compatible con todos los demás procesos de tratamiento de agua, como con filtración ósmosis inversa, intercambio iónico. Los rayos UV no causan corrosión. De fácil instalación, solamente dos conexiones en la tubería del agua y una electrónica.
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III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad La luz UV bien aplicada no presenta riesgos. Los peligros son solo para los operadores del montaje y de mantención de los equipos o de las lámparas. En el caso de los Materiales. La luz UV de onda corta (UV-C) destiñe los colores y altera la superficie y composición de muchos materiales. En el caso de los seres humanos y animales. La exposición directa y prolongada o exposiciones a altas intensidades de luz ultravioleta pueden causar conjuntivitis (inflamación de la membrana externa de los ojos), luego Cataratas, y por ultimo ceguera. Adema, produce un enrojecimiento o incluso quemaduras de la piel. Se debe tener cuidado que la luz ultravioleta no entre a los ojos por los lados, ni tampoco que se refleje desde la parte de atrás de los anteojos hacia adentro de los ojos. Es bueno recordar que cuando las concentraciones de energía ultravioleta germicida son especialmente altas, la protección de las manos y brazos se hace necesaria. La ropa y los guantes proveen una adecuada protección. La máxima exposición sin protección es de 0.5 µW/ cm 2 de 2.537 °A de energía en un período de 7 horas. Equivale a una lámpara de 30 watts durante un minuto y a 46 cm de distancia o en una hora a 3.60 metros de distancia.
III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV A continuación se muestran algunos criterios que se deben tomar en cuenta en el momento de decidir que tipo de tratamiento utilizar en la desinfección de su agua.
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Tabla.3.4. Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del agua. Operación / Condición Luz Ultravioleta Cloro Hipoclorito Costo de capital Costo de operación Instalación
Medio El más bajo Simple
Ozono
Medio Bajo Simple
Alto Medio Compleja
Mantención Dificultad Fácil Costo Bajo Eficiencia Excelente Claridad requerida en el agua Alta Efecto germicida Alto Peligro para los operadores Medio (ojos, piel) Productos químicos tóxicos No Efecto residual No Efecto en el agua Ninguno subproductos Problemas operativos Bajo Tiempo de contacto 1 - 5 seg.
Moderada Medio Medio Baja Medio Medio (ojos, piel) Si Si Trihalometanos Organoclorados Bajo - Medio 30 - 40 min.
Difícil Medio Excelente Media Alto Medio (oxidante) Si Alguno Sub-productos tóxicos Medio 5 - 10 min.
Fuente: (http://www.biolight.cl/html/faq-uv.html)
III.6.1.1.19 Guía de instalación Según Aguamarket, (2000) considera que para el tratamiento con UV, el diseñador del sistema de tratamiento de agua, normalmente no se tiene que preocupar del cálculo de la dosis requerida. Esto lo determina el fabricante del equipo UV en el diseño de su equipo. Los niveles de dosificación los establece el fabricante para las diversa velocidades de flujo y calidad de agua. Las únicas variables de dimensionamiénto en que se debe interesar el diseñador del sistema, tiene que ver con la velocidad del flujo y la calidad de transición lumínica del agua. La calidad de la transmisión generalmente se indica como Coeficiente de Absorción. Como precaución se debe instalar un regulador de flujo en cualquier esterilizador para asegurarse que sé esta alimentando el flujo recomendado por el fabricante.
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El esterilizador UV debe de ser el último punto de tratamiento. Cualquier pretratamiento debe instalarse antes de la UV. Si el agua de alimentación contiene Giardia Lamblia, se puede usar una medida de filtración mecánica alterno, antes de la UV.
III.6.1.2 Osmosis Inversa III.6.1.2.1 Generalidades Este es un método utilizado a partir de la segunda Guerra Mundial para desalinizar el agua de mar. Desde entonces se han venido perfeccionando las membranas, a la vez que han bajado su precio, al grado de que ahora se producen, no solo para quitar la sal del agua de mar, sino como equipos caseros de purificación del agua. Actualmente se pueden conseguir equipos de ósmosis Inversa que pueden proporcionar desde 5 a mas de 500 litros diarios.
III.6.1.2.2 Antecedentes científicos Los primeros estudios sobre la ósmosis o como se le llamó entonces proceso osmótico se desarrollan en los principios de la medicina, la biología, la fisiología. La ósmosis se basa en la teoría de soluciones y a pesar de que Graham (1805 – 1869) fue el padre de los estudios y experimentos sobre el flujo de difusión de un gas a través de un tapón poroso, en estos años está apareciendo el concepto de hacer pasar substancias a través de una membrana semipermeable, sin consumo de energía exterior. Fick (1829–901) quien planteándose los experimentos de Graham dijo que: ―la presencia de un flujo de difusión es debida a una diferencia de concentraciones. Tanto Gram como Fick explicaban el fenómeno de manera descriptiva y cuantitativa pero no eran capaces de aclarar ―él porque‖. En 1748 Nollet (1700 – 1770), profesor de la Universidad de Navarra experimento con una membrana realizada a partir de la pared de la vejiga de un animal (cerdo) colocando alcohol a un lado y agua al otro y comprobó que el agua fluía de un lado a otro para mezclarse con el alcohol pero el proceso contrario nunca se producía. En el siglo XVIII Nollet ya descubrió la existencia de ―membranas semipermeables‖ y definió el proceso osmótica que permitía el paso de una de los componentes de una solución pero no el de otros, manejando los términos de solvente (sustancia que es
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capaz de atravesar la membrana), soluto (la que no puede fluir sobre ella). Pero no fue capaz de explicar por que ocurría este fenómeno. Él médico Henri Dutrochet (1776 – 1847) quien realiza el descubrimiento del fenómeno osmótico a través de membranas semipermeables. Pfeffer (1845 – 1920), consolidó las bases en el empleo de membranas sintéticas en sus estudios que realizaba sobre fotosíntesis. En 1958 se dió una explicación racional de la Osmosis por Kedem y Katchalsky. Agua Crystalinn, (2002), dice que el proceso de Osmosis Inversa fue desarrollada hace unos cuarenta años, como proceso industrial y en grandes plantas de desalación de agua de mar. En los procesos industriales se emplean presiones muy elevadas (desde 200 hasta 800 Ibs /in2) para separar los sólidos disueltos. A mediados de la década de 1950 los trabajos del Dr. Sourirajan y otros de la Universidad de los Ángeles, adelantaron la tecnología de OI, hasta el punto que pudieron fabricarse membranas artificiales.
III.6.1.2.3 Descripción del proceso Según Medina (1999) la tecnología de la osmosis inversa se basa en el proceso de ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos, por el cual dos soluciones de distinta concentración salina puesta en contacto a través de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones. Para ello se produce un movimiento desde la solución más diluida hacia la más concentrada, que se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre ambas concentraciones. La fuerza que provoca ese movimiento se conoce como presión osmótica y está relacionada con la concentración de sales en el interior de ambas soluciones. El proceso queda esquematizado en las figuras 3.9 y 3.10. Cuando dos soluciones de diferente concentración o salinidad están colocadas en dos recipientes separados por una pared impermeable, cada una de ellas alcanza el depósito correspondiente una altura que es función únicamente del volumen de la solución y del diámetro del depósito. Si igualamos la altura de las soluciones en los dos recipientes, tendríamos la figura 3.9.a.
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Si sustituimos la citada pared por una membrana semipermeable (permeable al agua, no a las sales) se produce un movimiento a través de la membrana desde la solución más diluida a la más concentrada,(ver figura 3.9.b) que se detiene cuando se alcanza un desnivel entre ambos tubos, h que corresponde a la presión osmótica de la solución más concentrada, o más propiamente a la diferencia de presiones osmóticas entre ambas soluciones. Este valor h es la presión diferencial que impulsa el agua a través de la membrana. Si invertimos el proceso aplicando una presión en el tubo de la solución más concentrada, figura 3.9.a, el movimiento se produce desde ésta hacia la más diluida. Finalmente se alcanza una posición de equilibrio como en de la figura 3.9.-b. La altura que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión aplicada, de las características de la membrana y de las concentraciones de ambas soluciones. Cheremisinoff (1995) define a la ósmosis como el transporte espontáneo de un líquido diluido a una solución más concentrada, cruzando una membrana ideal semipermeable, dejando pasar el solvente (agua) pero no los sólidos disueltos (soluto).
Fig.3.9.-a
Fig.3.9.-b Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis.
III.6.1.2.4 Presión osmótica González y Martínez, (2000) mencionan que la presión osmótica es la diferencia de energía potencial entre las soluciones de cada lado de la membrana semipermeable, y la presión neta de trabajo es la diferencia hidrostática total menos la contrapresión ejercida por la presión osmótica. Esta presión es la se tiene que vencer para que haya caudal de agua.
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Los datos de Pfeffer, indicaron que la presión osmótica es proporcional a la concentración y temperatura absoluta. Van’t Of. Observo que la presión osmótica, ° varia con la concentración y temperatura de la misma forma que un gas ideal. Para el agua:
ñ Rt Vm
(3.27)
Donde: ñ = numero de moles de soluto; Vm = volumen molar del agua; R = Constante universal de los gases; t = Temperatura absoluta. Para la Presión Osmótica:
1.12(T 273) M
(3.28)
= presión osmótica, psi; T = Temperatura, °C; M = Suma de moles de compuestos iónicos y no iónicos. Cheremisinoff (1995), define la presión osmótica como una propiedad de una solución, que incrementa con la concentración. Según Deming (1981) la presión osmótica en soluciones diluidas también se puede calcular de la siguiente manera: P= 0.0821 CT (3.29) Donde: P = presión osmótica; C = concentración;T = Temperatura.
III.6.1.2.5 Osmosis inversa Según García (2002) la ósmosis inversa es el proceso de filtrado de baja presión(mayor a la presión osmótica) a través de membranas semipermeables. En el cual el agua y las Sustancias disueltas se mueven de las áreas de mayor concentración de sólidos a las áreas de menor concentración. Esto se hace forzando el agua con mayores concentraciones de sólidos a que pase hacia el otro lado que solo tiene agua pura, es por esto que es el único filtro de membrana semipermeable que elimina prácticamente todos los sólidos en suspensión o en solución (ver figura 3.10).
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El objetivo de la ósmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que esta impura o salada, el proceso inicia aplicando presión al caudal que tiene mayores concentraciones de sales para forzar un caudal menor de agua pura.
Figura. 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa.
Para Medina, (1999) la osmosis inversa no es necesario vencer la presión osmótica de la solución de alimentación, sino sólo la diferencia de presión osmótica entre las soluciones de alimentación y producto. Esta presión depende del flujo de agua a través de la membrana y cambia de cero hasta un límite dado por las características de la membrana. Por tal los elementos fundamentales para poder reproducir este fenómeno a escala lo constituye la bomba necesaria para aplicar la presión y la membrana capaz de realizar la separación de sales, para lo cual esta debe reunir una serie de características: Debe ser capaz de resistir las presiones a que se va a someter la solución. Suficientemente permeable al agua para que el flujo que proporcione sea elevado. Rechazar un % de sales elevados para que el producto sea de buena calidad.
III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa La osmosis inversa es un proceso sensible a temperatura y funciona con presión para que reduzca en el agua la cantidad de sólidos disueltos mediante la separación a través de una membrana de osmosis inversa. Esta membrana a medida de electroquímica rechaza iones mientras no le impida cruzar el agua. (Martínez y Gonzáles, 2000). Stanley E. Manahan, (1994) si el espesor de la sorción de agua en la capa es del diámetro del poro para una separación óptima será de 2d que depende sobre el
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espesor de la sorción de la capa de agua y puede ser varias veces el diámetro de soluto y moléculas solventes. Gonzáles y Martínez, (2000) para que el agua pase a través de las membranas, se requiere una bomba de alta presión para proveer energía de tal manera que a mayor presión mayor producción de agua o ―permeado‖. Un restrictor de flujo o una válvula de concentrado puesta en la línea hace que la presión force el permeado con poros del orden de 5 a 20 amgstrons. Es tan reducido el diámetro de estos poros, que sustancias con peso molecular de 200, son retenidos o filtrados por esta membrana osmótica. A la porción de agua que no pasa a través de la membrana y que contiene la mayoría de las sales y otros contaminantes se le llama ―concentrado‖. Y al porcentaje de agua purificada sobre el total de agua alimentada se le llama ―Recuperación‖.
III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana Los tres aspectos que marcan claramente la diferencia son: En la filtración todo el caudal atraviesa el elemento separador, que impide únicamente el paso de partículas sólidas de un determinado tamaño. En la ósmosis inversa en cambio, solo una parte del caudal de alimentación atraviesa la membrana. En la ósmosis inversa no se produce la acumulación del material separado sobre la superficie de la membrana, pues precisamente el rechazo produce el arrastre de dicho material. En la filtración el flujo de agua a tratar es perpendicular a la membrana, mientras que en la ósmosis es paralelo a ella. En la electrodiálisis son los iones que constituyen las sales los que abandonan el agua, atraídos por electrodos de distinta carga. Además que la fuerza en éste es el potencial eléctrico.
III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis Según Medina, (1999) la membrana de ósmosis debe ser capaz de efectuar las propiedades termodinámicas de transporte del agua y de las sales, mediante fuerzas
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que no dependan en principio de los o moléculas que han de separarse. Estas fuerzas pueden ser de rango corto como las de Van der Waals o de largo como las de Columb. La forma en que se produce el paso de agua a través de la membrana responde a dos teorías: Según Sourirajan, existe un flujo convectivo de agua a través de los poros de la membrana, que se produce en dos etapas: En la primera el agua es absorbida preferencialemente sobre la superficie de la membrana. En la segunda esta capa con el agua absorbida es drenada a través de los poros en la membrana. Según este modelo, el tamaño molecular de los materiales del agua de alimentación juega un importante papel en la determinación de su rechazo por la membrana. La teoría alternativa propuesta por Merten parte de que la membrana no tiene poros y por tanto el flujo convectivo no puede existir. En su lugar se disuelve en la capa superficial de la membrana y después se difunde a través de una capa sin poros de la misma. En este segundo modelo el rechazo es función de la solubilidad relativa del soluto del solvente. Ambos modelos predicen con bastante exactitud el flujo neto de agua, que desciende al aumentar la presión osmótica a causa de la acumulación de solutos cerca de la superficie.
III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales EL proceso de osmosis queda enmarcada por una serie de ecuaciones que definen o aclaran los distintos aspectos que deben conocerse. Si partimos de los flujos o caudales que se generan en el proceso podemos distinguir: - Flujo o caudal de alimentación, que es el que se pretende desalar: F a. - Flujo o caudal de producto, al que se le han eliminado o reducido las sales: Fp. - Flujo o caudal de concentración (rechazo), que arrastra las sales que han sido separadas por la membrana y que se depositarían sobre ella: Fr. La relación entre las citadas magnitudes es: Fa = Fp + Fr (3.30) Del mismo modelo tendríamos las concentraciones del agua de alimentación, C a, producto, Cp; y rechazo, Cr, relacionados también entre si mediante:
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Ca. Fa = Cp.Fp+Cr.Fr (3.31) A partir de aquí se consideran las dos ecuaciones principales que hacen referencia a la membrana que son: Fa = A(Pm -m)
(3.32)
Siendo: Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m 2/hora. A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m 2/hora atm. Este valor depende de varios factores como el espesor de la membrana, la temperatura, o la composición química de la solución Pm = Presión diferencial a través de la membrana en atm, o kg/cm 2. m= presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm o kg/ cm2. Ecuaciones del transporte de sales Fs = Ks. (Ca-Cp) Donde: Fs = flujo de sales, en g/cm2/seg. Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg. Ca =concentración de sales en el agua de alimentación en g/cm 3 Cp = concentración de sales en el agua producto, en g/cm3.
(3.33)
La polarización aumenta la concentración de sales en el agua de alimentación, C a, a medida que el caudal avanza a lo largo de la membrana. Por tanto aumenta el flujo de sales Fs y hace empeorar la calidad del producto. En esta ecuación se ve que no existe dependencia directa entre la presión y el flujo de sales; es decir, al aumentar la presión no mejora el transporte de sales, ni el rechazo de sales. Rechazo de Sales RS(%) = (1-Cp/Ca)x100 (3.34) Es el parámetro más importante de la membrana y se basa en le proceso de fabricación y en los polímeros que forman la membrana. Este valor varía para los distintos iones. Los iones trivalentes, por ejemplo, son rechazados mejor que los divalentes y estos a su vez mejor que los monovalentes. El sílice coloidal es también rechazado en % muy elevado.
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Paso de Sales PS(%) = Cp/Cax100; Por tanto también RS = 100-PS
(3.35)
La determinación de estos parámetros se hace en condiciones especificas por cada fabricante auque suelen estandarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del agua preparada artificialmente. Recuperación Es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de agua de alimentación: R (%) = Fp/Fa x100 (3.36) 3 3 Fp y Fa medidos en las mismas unidades, m /hora o m /día. En las membranas espirales, la recuperación no suele ser superior de 12 -15 % si se trata de agua salobre y del 10 % en caso de agua de mar. En las membranas de fibra hueca, dicho factor se eleva hasta el 85 %. Concentración del producto Cp = (1- Rs).(Ca+Cr)/2
(3.37)
Concertación del rechazo Cr = RS-Ca/(1-R) (3.38) Este es un parámetro importante en el diseño, para establecer la forma de eliminación de un caudal, que según los casos puede ser importante y potencialmente contaminante. Proporción (ratio) de reducción Ca/Cp = 1/(1-RS) (3.39) Este es un factor indicativo de la calidad de la membrana y sobre todo permite ver claramente la diferencia entre unas y otras.
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Según Martines y González, (2000) de una manera más general la difusión a través de la membrana se fundamenta en la ley de Fick, la cual postula que en el transporte de solvente y soluto, el flujo molar de cada uno es proporcional al gradiente químico. Así se tiene que para el transporte del agua:
Q1 Pw .K a ( P Po )
(3.40)
Para el transporte de soluto:
Q2 K s Cr .
(3.41)
Siendo que: Ks / Ka (P-Po). (1-R)/R Donde: Q1 = Transporte del agua pura; Q2 = Flujo del soluto; Pw = Densidad del agua; Ka = Constante de membrana al agua pura en m/seg; Ks = constante de membrana a la solución salina en m/seg; P= Diferencia de Presión osmótica; R= Rechazo de membrana al soluto; Cr= Diferencia de concentración salina en cada lado de la membrana.
III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis En la naturaleza existen materiales semipermeables (membranas de animales y vegetales) que se han usado como el colodión, celofanes, el vidrio poroso, vidrio finamente molido y precipitados inorgánicos como ferrocianuro de cobre y fosfato de zinc y uranio. La desventaja de estos es que producen grietas por lo que tienen corta duración y una baja uniformidad de producción. Cheremisinoff, (1995) menciona que las membranas de OI son capaces de remover hasta 90% de los sólidos disueltos en agua como pueden ser: materia orgánica, bacterias, nitratos, calcio, magnesio, arsénico, plomo, mercurio, plaguicidas y muchas otras impurezas. Que no pueden ser removidas con los filtros de arena o de cartucho, pero no son costeables cuando los sólidos disueltos son bajos. Las Membrana de OI se construyen básicamente con Acetato de Celulosa (usadas industrialmente) y Poliamida, esta última permite la separación de las substancias tanto orgánicas como inorgánicas con tamaños entre 1 y 10 A. Figura .3.11.
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Figura 3.11 Membranas construidas con poliamida. Fuente: ( http://www.hidrotec.es/nueva/osmosis/MIX.htm)
Sourirajan, Agrava, y Loeb, desarrollan la técnica para la preparación de membranas de acetato de celulosa con permeabilidades elevadas y un gran rendimiento a la separación de solutos a partir de soluciones acuosas de ClNa. Según García (2002) las membranas de OI se comercializan con las diferentes configuraciones: Tubular. Consiste en largos tubos porosos con longitud que oscila entre 1.5 a 3 m y con diámetros entre 0.5 y 1 in, los cuales llevan, concentricamente, en su interior la membrana. El agua bruta se hace circular por el interior, recogiéndose el agua permeada entre la pared exterior de la membrana y la interior del tubo contenedor. La desventaja es que es muy voluminosa en relación con su capacidad productiva.
Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. Fuente:Garcia, (2002)
Fibra Hueca. Construida por miles de fibras huecas (tubos capilares) formando un haz en el interior del contenedor y cuyos extremos se insertan en un soporte de resina epoxi(le da rigidez). El diámetro exterior de estos capilares oscila entre las 60 y 80 micras para la poliamida y 200 a 300 micras para el acetato. El agua es obligada a pasar a través de la pared del capilar de espesor aproximado de 20 micras. Las primeras fibras que se desarrollaron de este tipo sefun Medina (1999) eran de acetato de celulosa y producían un caudal muy pequeño. Más tarde se redujo el tamaño y se empaqueto en poco espacio, dentro de un tubo cilíndrico que constituye la carcasa protectora y permite la circulación de la solución. Este tubo es de material plástico
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PRFCV que evita la corrosión. El agua a tratar entra por el extremo de este tubo o carcasa y se distribuye a través de un tubo central provisto de perforaciones en dirección hacia las paredes del tubo.
Figura 3.13 Proceso de membrana fibra hueca. Fuente:Garcia, (2002).
Espirales. Consiste en hojas de membranas que se sitúan sobre un soporte poroso y un espaciador, ese conjunto se enrolla sobre un tubo de PVC que servirá como colector de agua permeada. Medina,(1999) para el enrollamiento de las láminas desaladas se dispone éstas alternadas con un separador impermeable y una malla. La malla plástica determina los canales hidráulicos por los que circula el agua a tratar y por forma cuadriculada garantizar un régimen de funcionamiento turbulento lo que reduce las posibilidades de obstrucción por elementos extraños. El separador impermeable permite aislar que el caudal que pasa por cada una de las láminas o membranas y separarlo de la salmuera. El enrollamiento permite introducir una superficie de membrana en un espacio reducido. Estas dos últimas configuraciones son las que han permitido reducir el espacio ocupado por las membranas, aumentando la capacidad del módulo y reducido su precio. Hoy en día el 60 % de las membranas utilizadas son de este tipo.
Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. Fuente:Garcia, (2002).
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La razón para esta popularidad son la buena relación área membrana/volumen del modulo y un diseño que permite ser usado en la mayoría de las aplicaciones, además de que admite una turbiedad más de tres veces mayor que los otros sistemas y permite trabajar con régimen turbulento. El Comportamiento de las membranas respecto a diferentes contenidos en el agua (García, 2002): PH. La poliamida es estable dentro de una gama de pH de 3 a 11, pudiendo resistir durante cortos periodos, máximo 30 minutos, un pH comprendido entre 1 y 12. El Acetato de Celulosa al ser un éster orgánico esta sometido a hidrólisis con pH ácido y alcalino, por lo cual la gama de trabajo óptimo se encuentra por pH entre 4 y 7. Oxidantes. La poliamida es atacada por los oxidantes, por lo que el cloro libre superior a 0.1 ppm destruye la membrana. El acetato de celulosa resiste la acción de oxidantes pudiendo soportar cantidades de cloro libre del orden de 2 ppm. Temperatura. Los rendimientos de todos los módulos están dados en unas condiciones prefijadas de salinidad, recuperación, presión, temperatura. Para este parámetro se considera 25 °C, favoreciendo el rendimiento, pero generalmente las temperaturas máximas de trabajo oscilan entre los 30 °C para el acetato y 45 °C para la poliamida. El trabajar a temperaturas altas favorece el fenómeno de compactación que sufre la membrana debido a la presión de trabajo, produciendo con el tiempo una disminución de la producción. Las sobre presiones pueden incrementar su temperatura de 1 a 2 grados.
III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas Dependiendo de la configuración de membranas adoptadas, también existen diferencias en los rendimientos y operación. Caudal. Una diferencia fundamental entre un módulo de fibra hueca y uno en espiral es el régimen de circulación del agua por su interior, siendo este laminar para la fibra hueca y turbulento para la espiral. Presión de Funcionamiento. La menor permeabilidad de las membranas de fibra hueca exige mayores presiones transmembrana para vencer la presión osmótica.
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La presión. A lo largo del tiempo produce una compactación de la membrana que a su vez reduce el caudal y puede alcanzar hasta 25 %. El paso de agua para las membranas produce una caída de presión o pérdidas de carga que reduce la presión neta que se aplica a cada membrana. Ensuciamiento. Las membranas de fibra hueca son más propensas a ensuciarse u obstruirse que las espirales. Zeta Corporation, (2000), el ensuciamiento de membranas es el principal problema que afecta la operación de los sistemas de ósmosis inversa. Generalmente se previene cuando se impide que las partículas se depositen sobre las superficies y membranas. El ensuciamiento es producido por la alteración de la densidad de carga superficial tanto de las partículas en el fluido como de las superficies húmedas y membranas. El ensuciamiento suele manifestarse con un aumento en la presión de alimentación para mantener el flujo del permeado, reducción en el flujo normalizado del permeado, aumento en el diferencial de presión, aumento en el porcentaje de sales permeadas y reducción del porcentaje de recuperación, reducción en la calidad del permeado. Respecto a la limpieza, de las membranas las que ofrecen mayor facilidad en orden de importancia son: tubulares, espirales, fibra hueca respectivamente. Rechazo de Sales. Las membranas de fibra hueca suelen tener rechazos inferiores a las de arrollamiento en espiral. Estas últimas con un 99.5 % de rechazo mientras que las de fibra hueca no superan el 99.4 %.
III.6.1.2.12 Características de las membranas Con lo referente al rechazo de iones solo actúa como un filtro para las moléculas que tienen un peso molecular superior a 200 (Garcia, 2002). El rechazo de bacterias de los Poros de la membrana es suficiente pequeño para que su poder de desaparición de la bacteria, virus y pirógenos sea total, y es un método seguro como esterilizador, para ello es preferible aplicar un tratamiento de desinfección al agua que será a tratar, pero los virus, bacterias y otros microorganismos que llegan a las membranas, se depositan sobre ellas y puedan proliferar. Los compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular como los ácidos orgánicos y las aminas pasan a través de las membranas en mayor proporción que los iones. Otras sustancias que originan el color de las aguas son eliminadas en su totalidad. Las ligninas, los ácidos húmicos y fúlvicos también.
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El rechazo al cloro. Las membranas de Acetato de Celulosa admiten dosis de Cl en contínuo de hasta 1 ppm. Las membranas de triacetato de celulosa son algo más resistentes. Sin embargo las membranas de poliamida no son resistentes al cloro teniendo graduaciones. Las membranas de arrollamiento en espiral, las de poliamida alifático son destruidas por el cloro de forma instantánea mientras que las de poliamida aromática solo soportan muy pequeños de 0.1 ppm en periodos breves.
III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos La productividad de las membranas esta efectuada por varios factores como: la presión de trabajo, salinidad del agua de alimentación, temperatura, tiempo de funcionamiento, recuperación. La fuga Iónica de una membrana, está afectada por tres factores que son la presión de trabajo, la concentración de alimentación y la recuperación. La capacidad de las membranas de ósmosis inversa aumenta en proporción directa con el incremento de la valencia del soluto. Por tanto, cationes como el magnesio y calcio (divalentes) son rechazados mas eficazmente que el sodio o potasio (monovalente). Para mayor detalle de lo que rechazan las membranas se presentan tablas completas sobre la eliminación de compuestos inorgánicos y orgánicos con ósmosis inversa (Garcia, 2002). Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas.
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III.6.1.2.14 Colocación de las membranas Para Medina, (1999) la producción adecuada del sistema debe colocarse por tanto los distintos módulos en paralelo. De aquí surgen los distintos tipos de estructuras de producción en que se colocan las membranas. Etapa. Las unidades de producción son alimentadas desde una fuente única. Paso. Son alimentados con los caudales de agua que salen de las membranas de la primera etapa precisan de otra fuente de energía distinta de la anterior para recuperar un nuevo caudal. Simple. Este sistema es demasiado ineficiente solo se usa en instalaciones piloto, experimentales, para la extracción de jugos o sólidos de gran valor. Etapa de Salmuera. Es la estructura más frecuente de producción y consiste en una serie de tubos colocados en paralelo y otros en serie, de forma que la salmuera de los primeros es utilizada como alimentación de los segundos. Etapas de producto. Este tipo de instalación se emplea cuando se quiere mejorar la calidad del agua producto y para ello se pasa de nuevo por otro conjunto de membranas, utilizando para ello una bomba independiente. Solo se aplican en zonas de alta salinidad.
III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa Según Cherremisinoff, (1995) debido a su gran versatilidad para eliminar las sales disueltas (80 a 98 %) su uso se ha ampliado en varios países. La ómosis ha sido empleada en la industria como un pretratamiento para intercambio iónico.
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La ómosis inversa para tratamiento de agua es mundialmente reconocido como un sistema eficiente. Con frecuencias se usan para: Eliminar todas las sales que producen el agua dura, generando agua pura. Tratar aguas salobres que contienen muchos sólidos en solución.
El resultado es agua de alta pureza, llamada "permeado" la cual es utilizada en una gran variedad de procesos, tales como: manufactura de semiconductores y componentes microelectrónicos, producción de agua purificada para bebidas para consumo humano; farmacéuticos, medicamentos y otros productos medicinales e industriales.
III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa
Permite eliminar la mayoría de los sólidos (inorgánicos y orgánicos hasta un 99 %). Así como los materiales suspendidos y microorganismos. Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y de forma contíua. Es una tecnología muy simple en su utilización, no requiere de mucho mantenimiento ni personal especializado. Su campo de aplicación es extenso y aumenta día con día.
La desventaja importante es que no son costeables cuando se emplean para filtrar agua con pocos sólidos en suspensión y eliminar microorganismos.
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III.6.2 Métodos Químicos III.6.2.1 Ozonización III.6.2.1.1 Aspectos generales Las características Generales del Ozono son: - Peso molecular ............................................................... 48 - Temperatura de condensación ........................................ - 112 º C - Temperatura crítica .......................................................... - 12.1 º C - Temperatura de fusión ..................................................... - 192.5 º C - Presión crítica .................................................................. 54 atm. - Densidad (líquido a -182 1 °C) ......................................... 1,572 gr/cm3 - Peso del litro de gas (a 0 1 °C y 1 atm.) .......................... 2,144 gr - Es 1.3 veces más pesado que el aire. El ozono es un componente básico del aire limpio, puro y seco, el cual es un compuesto alotrópico del oxígeno. Debido a las velocidades de reacción y fuerzas impulsoras, el ozono se ha incorporado, en diversos países desarrollados del mundo, como oxidante fuerte no sólo para garantizar la inmunidad de las redes de agua potable respecto de eventuales patógenos, sino por que remueve orgánicos, oxidándolos, sin generar compuestos exógenos a la fuente de agua. Un efecto de interés es que la ozonización, en aguas fuente con microorganismos y materia orgánica mejora el funcionamiento de las operaciones de floculación, decantación y filtración tanto porque produce la lisis de los microorganismos como por el efecto de cargas sobre sólidos y materia orgánica. Ingol y Fether, (1957), han mostrado que la destrucción de las células de E. Coli con ozono, es mucho más rápida que el cloro, una vez que se ha hecho la demanda inicial del ozono. Weber, (1979), por su parte señala la reactividad del ozono presenta un problema en la desinfección de aguas que contengan elevadas cargas de material orgánico o impurezas inorgánicas oxidables. La descomposición del ozono en el agua
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presenta un nuevo problema, ya que no permite una protección a largo plazo contra el nuevo crecimiento del organismos patógenos y/o una recontaminación y obliga a una posterior cloración de las aguas tratadas con ozono. A pesar de su gran efectividad no se ha usado en todo el mundo por las plantas de tratamiento, ya que la razón es que la industria del agua siempre ha estado preocupado por los costos y se ha tratado de proporcionar agua al costo más bajo posible (DeMers, 1996). Desarrollo del uso de Ozono a lo largo de la Historia (Rice, 1986): 1785 Von Marum describe un color característico en una máquina electrostática (descubridor). 1801 Cruikshank percibe el mismo olor en un ánodo. 1840 Sconbein le denomina a la sustancia ozono por la palabra griega ―Ozein‖. 1856 El ozono es utilizado para desinfectar salas de cirugía. 1857 Werner Von Siemens diseña un generador de ozono, de tipo dieléctrico, cilíndrico, con fines industriales. 1893 Oudshoorn, se construye la primera planta en Holanda. 1906 Niza, Francia, Planta Bon Voyage, ―lugar de nacimiento de la ozonización en una planta de tratamiento de agua‖. 1940 El ozono es instalado en Whiting, Indiana para el control del sabor y del olor en el agua potable. 1960 El ozono fue empleado por primera vez como un agente coagulante y microfloculante. 1970 Comienza la aceptación de las instalaciones de Ozono en Estados Unidos. 1980 Se realizan instalaciones de sistemas de Ozono en albercas, balniarios, sistemas de calentamiento, bañeras, etc. Las características que hacen atractivo al ozono para la purificación del agua son:
Elimina color (Holluta, 1963; O’Donovan, 1965); Elimina gusto y olor (hopf, 1964; Schenk, 1962); Desinfectante (Stumm, 1958); Elimina hierro y manganeso (Hooft, 1964); Oxida el fenol (Eisenhauer, 1968); y, Oxida el cianuro (Khandelwal et al., 1959; Anon., 1958).
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Viresi, (2000) a su vez por razones de gusto, el agua mineral o el agua potable no debe contener más de: - 0.1 mg Fe+/l - 0.05 mg Mn/l Si los contenidos anteriores son superiores deberán eliminarse con una filtración convencional la que disminuirá algo el hierro pero no actua sobre el manganeso, por ello se debe realizar(Interozone, 2002):
Pre - ozonización: El objetivo principal es la optimización de procesos de floculación - coagulación, la remoción de fierro y manganeso, y el control de algas en el agua de la fuente.
Procesos de ozonización intermedia: Esta se produce en etapas posteriores a la coagulación y previo a la etapa de filtrado en lechos de arena. Lo que se pretende es la optimización de características organolépticas, ya sea olor, sabor, color, a la precipitación de fierro y manganeso y al aumento de la
biodegradabilidad de materias orgánicas. Procesos de post - ozonización: Esta se produce en la etapa final de tratamiento, vale decir posterior a la filtración y previo distribución. Sus objetivos principales son la desinfección y el control final de algas.
La oxidación del hierro tiene lugar según la siguiente reacción: 2Fe2+ + O3 + H2O = 2Fe3+ +O2 + 2OHEsta oxidación requiere 0.44 mg O3/mg Fe2+ y es muy rápida, sobre todo en presencia del bióxido de carbón (CO2). La oxidación del manganeso depende mucho de la cantidad de ozono que hay en la reacción: 2Mn2++2O3 +4H2O = 2MnO(OH)3 +2O2 +4H+ 2Mn2++5O3 +3H2O = 2MnO4-+5O2 + 6H+ y las cantidades de ozono serán respectivamente: 0.88 mg O3/mg Mn 2.18 mg O3/mg Mn Todos estos tratamientos nos garantizan un buen sabor del agua y una desinfección bacteriológica satisfactoria. Pero está demostrado que es necesaria una
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postozonización, en algunas ocasiones se necesita un residual de 200 mg O 3/ m3 de agua para garantizar la desinfección no sólo del agua, sino del espacio de aire que queda entre el agua y la cápsula. Esta acción se producirá por el ozono sobrante que abandonará el agua. La experiencia nos dice que el agua embotellada tratada de esta manera aguanta largo tiempo sin contaminación, incluso con residuales mucho menores al indicado. Podríamos indicar que si el agua fuese consumida con menos de tres días de almacenamiento, al destaparla sentiremos un cierto olor a ozono pero la calidad estaría garantizada. Es obvio que la ozonización deberá realizarse sobre agua embotellada en vidrio o PET resistente al ozono, ya que algunos plásticos comunican sabor al agua al soltar trazas de materia orgánica.
III.6.2.1.2 Propiedades del ozono a. Físicas El ozono es un compuesto químico formado naturalmente en la atmósfera, el cual es un gas incoloro a temperatura ambiente y con un olor muy picante, como el olor que se puede percibir después de una tormenta eléctrica. El umbral de percepción del sentido del olfato para el Ozono inicia aproximadamente a 0.01 ppm., Presentando un olor desagradable a concentraciones por encima del 0.1., Además de tener un color ligeramente azul a niveles mayores a 5 ppm (Steven,1997). Sólo en ausencia de materia orgánica el Ozono sigue las leyes de los gases ideales, es decir, de aquellos que no reaccionan. b. Propiedades Químicas Químicamente, el Ozono es una molécula triatómica, la cual pertenece a una de las cuatro formas alotrópica del Oxígeno, siendo su símbolo químico O 3, con un peso molecular de 47.9982 g/g-mol. El Ozono es relativamente estable en aire, con una vida media de varias horas a bajas concentraciones, pero esta vida media cambia significativamente una vez que el Ozono
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es introducido dentro del agua, donde muchas reacciones químicas pueden suceder, especialmente con átomos de carbono para producir principalmente CO 2. Esta forma de tres átomos de Oxígeno es relativamente inestable y altamente oxidativa siendo el cuarto agente oxidante más agresivo conocido (detrás del F 2, F2O y radicales libres de Oxígeno), (ver Tabla 4.6). A causa de que el Ozono es muy reactivo en un medio acuoso, este puede oxidar material entre 10 y 1,000 veces más rápido que otros oxidantes usados en el tratamiento del agua. Tabla 3.6 Potenciales de oxidación. REACTIVOS OXIDANTES Fluor Radicales Hidroxilos libres
POTENCIAL DE OXIDACION [V] 3.06 2.80
Átomo de Oxigeno Ozono Permanganato Ácido Hipobromoso Bióxido de cloro Ácido Hipocloroso Cloro Oxígeno Bromo Hipoclorito
2.42 2.07 1.67 1.59 1.50 1.49 1.36 1.23 1.09 0.94 Fuente: Steven,(1997)
Según Vega (1998) el Ozono es un poderoso oxidante (citoplasmático) que puede eliminar una amplia variedad de virus, bacterias y otras toxinas, también es capaz de oxidar Fenoles, pesticidas, residuos de industrias químicas y compuestos aromáticos más rápida y efectivamente que el cloro, sin la producción de residuos que pueden resultar peligrosos tanto para el medio ambiente como para la salud del hombre. El tiempo de vida del Ozono en el agua es muy corto, por lo que no se llegan a obtener productos indeseables en las reacciones de oxidación, situación que se presenta con el cloro, ya que cuando se emplea dicha sustancia, se pueden producir compuestos conocidos como Trihalometanos (THM), los cuales se sospechan son precursores del cáncer.
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Al utilizar Ozono, el mecanismo de desinfección que se presenta, se relaciona directamente con la siguiente reacción: O3 O2+0-2 El Oxigeno obtenido produce una alta energía de oxidación mediante la vía del mecanismo de radical libre. La oxidación primaria con Ozono ocurre paralelamente cuando se realiza la transferencia de Ozono a un átomo de Oxígeno. Cuando el Ozono es disuelto en agua, este puede reaccionar con los contaminantes mediante una de las dos diferentes formas: a) Reaccionando directamente con la molécula de Ozono. b) A través de reacciones indirectas con radicales libres hidroxilos. En soluciones fuertemente ácidas, principalmente ocurren las reacciones directas pero por encima de 7 unidades de pH, predominan las reacciones indirectas, Steven, (1997).
III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono De acuerdo con Savazzini, (1974) el Ozono introducido en un ambiente cualquier realiza tres acciones fundamentales: Acción Microbicida Es quizás la propiedad más importante del Ozono y por lo que más aplicaciones se le atribuyen. Estos seres vivos (microbios) permanecen muchas veces sobre todo tipo de superficies, en todo tipo de fluidos, o bien flotan en el aire asociados a pequeñas motas de polvo, minúsculas gotas de agua en suspensión de todo tipo de enfermedades contagiosas, especialmente en sitios cerrados donde haya número de personas, y el aire se renueve muy lentamente. El Ozono debido a sus propiedades oxidantes, puede ser considerado como uno de los agentes microbicidas más rápido y eficaz que se conoce. Su acción posee un amplio espectro que engloba la eliminación de: a) Bacterias (efecto Bactericida) b) Virus (efecto viricida) c) Hongos (efecto funguicida) d) Esporas (efecto esporicida)
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a) Efecto Bactericida. Es conocido que desde principios del siglo, se empezó a usar para el tratamiento de agua. Actualmente sirve para el tratamiento de todo tipo de aguas y además se usa directamente sobre el organismo humano con fines terapéuticos. Una de las ventajas más importantes del Ozono, con respecto a otros bactericidas (mata las bacterias) es que este efecto se pone de manifiesto a bajas concentraciones (0.01 p.p.m. o menos) y durante periodos de exposición muy cortos. Incluso a concentraciones mínimas de Ozono (del orden de 0.01 p.p.m.) es ya perfectamente observable un efecto bacteriostático(impide su reproducción). Según Viresi, 2000, el ozono es el desinfectante más rápido y efectivo que existe, sobre bacterias de tipo: a) Escherichia Coli. b) Streptococos Faecalis. c) Clostridium. d) Staphylococcus Aureus, etc. b. Efecto viricida. Los virus son pequeñas partículas, hoy consideradas frontera entre los seres vivos y la materia inerte, que no son capaces de vivir ni de reproducirse si no es parasitando células a las que ocasiona su destrucción. Los virus son nocivos y provocan enfermedades como: la gripe, el catarro, el sarampión, la viruela, varicela, rubéola, poliomelitis, entre otras. El ozono actúa sobre ellas oxidando las proteínas de su envoltura y modificando su estructura tridimensional. Al ocurrir esto, el virus no puede anclarse a ninguna célula hospedera por lo que no puede reproducirse y muere. c. Efecto funguicida. Los hongos provocan al hombre enfermedades y otros ocasionan alteraciones en nuestros alimentos, haciéndolos inaceptables para su consumo como es el caso de los mohos. El ozono les provoca un daño celular irreversible.
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d. Efecto esporicida. Existen algunos hongos y bacterias que cuando las condiciones son adversas para su desarrollo, fabrican una gruesa envoltura alrededor de ellas, y paralizan su actividad metabólica, permaneciendo en estado de latencia. Cuando las condiciones para la supervivencia vuelven a su forma normal y su metabolismo recupera su actividad. Estas formas de resistencia se conocen como esporas y son típicas de bacterias tan patógenas como las que provocan el tétanos, la gangrena gaseosa, el botulismo y el ántrax. Acción Desodorante Esta acción se emplea generalmente en los grandes locales de uso público para el tratamiento de ciertos olores de origen industrial. La propiedad del ozono es atacar directamente sobre la causa (generalmente materia orgánica en suspensión) que los provoca, y sin añadir ningún otro olor. Además el ozono puede eliminar algunos compuestos de sulfuro, tales como el sulfuro de hidrógeno, mercaptanos o sulfuros orgánicos, pueden con el Ozono ser oxidados a sulfatos. Acción Oxigenante El ozono, por su poder oxigenante, contribuye a mejorar la eficiencia de las células de los organismos superiores en cuanto al aprovechamiento del oxígeno disponible, mediante la estimulación de varias enzimas que intervienen en los procesos. Destitec Servicio S. L., (2002) el ozono también realiza las siguientes acciones: Eliminación de los Metales pesados. El Ozono oxida los metales de transición a su estado de oxidación mas elevado (> 4 ppm), en el que ellos forman usualmente menos óxidos solubles, los cuales entonces son fáciles de separar mediante una filtración. Algunos de estos metales son: el arsénico (en presencia del hierro), cadmio, cromo, cobalto, cobre, plomo, manganeso, níquel, y zinc.
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Eliminación de la Coloración Generalmente se emplea para esta acción cuando se usan aguas superficiales las cuales presentan normalmente una coloración producida por elementos orgánicos naturales, tales como los ácidos húmicos, fúlvicos y tánicos. Para ello es necesario decolorar el agua con una concentración de 2 a 4 ppm de Ozono.
III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono Martínez y González, (2000) mencionan que el ozono a causa de su inestabilidad, no puede ser generado y almacenado para un uso en el futuro. Por lo que tiene que ser generado y usado en el momento. El Ozono producido comercialmente destinado a reacciones de oxidación, es siempre generado en forma de gas. El Ozono puede ser formado por los siguientes mecanismos (Vega,1998): A) Radiación Solar. B) Electrólisis de Ácido Perclórico. C) Exposición de Oxigeno a la Radiación Ultravioleta. D) Corona de Descarga Eléctrica (CD). Siendo los tres últimos métodos normalmente utilizados para la producción de Ozono, de los cuales el método de Corona de Descarga Eléctrica (CD) es el único método práctico para la producción a gran escala del Ozono, aunque únicamente el 10% de la energía suministrada a un equipo generador de Ozono, es utilizado para obtener Ozono, mientras que el resto se disipa en forma de calor, luz y ruido. En el caso de que el ozono sea generado, por ejemplo, por radiación ultravioleta empleando una lámpara de 185 nm, la máxima concentración de ozono obtenido en fase gaseosa es aproximadamente de 0.1% peso (Snohomish, 1997). La producción de ozono, mediante CD, según EDC, (1996) citado por Vega, (1998), es capaz de producir altas concentraciones de ozono. El principio es el paso de alto voltaje, alternando con descargas eléctricas a través de una corriente de gas que contiene oxígeno, provoca la descomposición de las moléculas de oxígeno en oxígeno atómico. Algunos de estos átomos liberados, pueden reordenarse de tal forma que se produzca ozono, mientras que el resto vuelve a formar moléculas de oxígeno.
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En la Figura 3.15 muestra un diagrama simplificado de proceso para un generador de Ozono de tubo vertical, en el cual el agua de enfriamiento está en contacto directo con el cristal dieléctrico y empleando un electrodo aterrizado.
CORRIENTE ALTERNA REFRIGERANTE DIELÉCTRICO ELECTRODO DE ALTO VOLTAJE
EMF
AIRE SECO
ESPACIO DE DESCARGA
OZONO Y AIRE
ELECTRODO DE ALTO VOLTAJE
REFRIGERANTE TIERRA
Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. (DEL INDUSTRIES, 1997).
Los electrones son acelerados a través de un intervalo de aire, de tal forma que se le proporciona la suficiente energía para romper el doble enlace oxígeno-oxígeno, produciéndose oxígeno atómico. Los átomos de oxígeno que fueron producidos por la reacción de colisión, reaccionan con otras moléculas de oxígeno biatómicas, para formar ozono de acuerdo a la siguiente ecuación (Steven, 1997): 3O2 + Energía ----- > 2O3 La cantidad de ozono producido es dependiente de varios factores, como son el voltaje y la frecuencia de corriente alterna aplicada a las celdas de CD. La generación de ozono por Corona de Descarga Eléctrica (CD), es una reacción físicotérmica exotérmica, donde mucha de la energía usada para la generación de ozono es perdida en forma de calor, por lo tanto la eficiencia de enfriamiento (generalmente agua) es un factor importante en el diseño del generador. En contraste, cuando el ozono es generado por Corona de Descarga Eléctrica, se observa lo siguiente (Steven, 1997): A) Usando aire ambiental (el aire es aspirado), se obtiene una concentración de ozono en el rango de 0.15 y 1.0% en peso.
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B) Empleando aire seco con un punto de rocio de -45 °C. a -65 °C., se pueden obtener concentraciones entre 1.0 y 3.0% en peso. C) Utilizando oxígeno como gas de alimentación (de cilindros o a partir de un concentrador de 02), se logran concentraciones entre 4.0 y 8.0 % peso. Cuando se emplea aire ambiental generalmente este contiene humedad y concentración arriba del 80 % de nitrógeno. Tal situación genera los siguientes problemas: 1.- Reacciones con el ozono, lo que reduce la producción de ozono por Kw-hr de energía eléctrica aplicada. 2.- Formación de ácido nítrico y/u óxidos nítricos (los cuales pueden crear olores desagradables), dando como resultado severa corrosión de algunos componentes del generador como equipos conductores de flujo o partes eléctricas y electrónicas localizadas en las áreas de descarga. Por estas razones se recomienda emplear preferentemente aire seco u oxígeno como gas de alimentación, el cual produce el doble o triple cantidad de ozono por Kw-hr, que el aire seco. Desde su producción el ozono es altamente reactivo, siendo su vida media corta, por lo que se dificulta su almacenamiento y su transporte. Como consecuencia el ozono es siempre generado en el mismo sitio de la aplicación para su inmediato uso (Vega,1998). Descripción de un Generador básico de ozono. La generación de ozono es lograda por el paso de una corriente alterna con alto voltaje (6 a 20 kV) a través de un espacio de descarga de un dieléletrico, en el cual se inyecta aire (ver Figura 3.16). Como el aire es expuesto a la electricidad, las moléculas de oxígeno se disocian y forman átomos simples de oxígeno, algunos de los cuales se combinan con otras moléculas de oxígeno y forman ozono. Existen dos diferentes configuraciones dieléctricas, en placas planas y tubos concéntricos (mayor facilidad para el mantenimiento) (RGF,1997).
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ELECTRODO METALICO GENERADOR DE
GAS (O2 O AIRE)
CORRIENTE A.C
DIELÉCTRICO ELECTRÓDO METÁLICO SECCIÓN A-A
Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos (www. Rgf.com).
Para optimizar el rendimiento de ozono, deben de prevalecer las siguientes condiciones (RGF, 1997): a) Mantener una presión de operación razonable alrededor de 10 a 15 psi para la mayoría de las aplicaciones. b) Se debe de usar un material dieléctrico delgado y con una alta constante dieléctrica. El único material práctico con estas propiedades es alguna variedad de vidrio. d) La disipación de calor debe ser lo más eficiente que sea posible, ya que la descomposición del ozono es proporcional con la temperatura. El voltaje requerido para una eficiente generación de ozono es dependiente de la frecuencia suministrada a las celdas de generación y al espacio entre el electrodo activo y el aislador eléctrico. La mayoría de los generadores de ozono operan a baja frecuencia (50 ó 60 Hz.). Para estos generadores de ozono, es comun emplear voltajes entre 12 y 20 kV (Steven, 1997). Los generadores de ozono de baja frecuencia son generalmente bastante silenciosos y viables, sin embargo, los diseños mas modernos utilizan una frecuencia media arriba de 1,000 Hz, ofreciendo muchas ventajas técnicas y operacionales (AZCO, 1997). Según Vega (1998) los generadores de ozono de media frecuencia generan mayores beneficios ya que se puede controlar el voltaje, el tipo de corriente y por lo tanto la producción de ozono.
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Un sistema típico de producción de ozono por Corona de Descarga Eléctrica, consiste de cuatro componentes fundamentales (Steven,1997): 1. Unidad de preparación de aire o producción de oxígeno. 2. Generador de Descarga de Corona. 3. Difusor de ozono. 4. Sistema destructor de ozono residual. En la Figura 3.17. Se muestra el diagrama de flujo de un generador de Ozono típico de tubos verticales (Steven, 1997). A I R E
DESECHO
DESECHO
AIRE SECO FILTRADO (-70 °c PTO DE ROCÍO)
AGUA DE ENFRIAMIENTO
AGUA DE ENFRIAMIENTO
Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono. 1. Compresor de aire.
9. Válvula de Alivio de Presión
2. Receptor de Aire.
10. Rotámetro de Flujo de Aire.
3. Prefiltro.
11. Chaqueta de Agua de Enfriamiento.
4.Refrigerante.
12. Unidad Generadora de Ozono.
5.Filtro Soldado de 0.01 u
13.Tubo Dieléctrico.
6.Desecador de Aire (-70°C)
14. Electrodo de Alto voltaje.
7.Filtro para polvos.
15. AL difusor de Ozono.
8.Válvula de Control de flujo.
16. Agua de Enfriamiento empleada como electrodo Aterrizado.
17. Transmisor de alto voltaje.
18. Señal de Control de 4 – 20 Ma.
19. Regulador de Voltaje/ Frecuencia
20. Suministro de 415 V y 50 Hz.
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1. Preparación del Aire La preparación del aire es crítica para la eficiencia y confiable operación de los generadores de ozono vía CD. La humedad y las partículas de materia tienen un efecto perjudicial en los electrodos de las celdas de generación y sobre el material dieléctrico, además de que un aire seco es critico para la exitosa generación de ozono. Si se emplea oxígeno por razones económicas, el oxígeno no convertido en ozono es reciclado, una vez seco, al proceso. 2. Solubilidad del Ozono El ozono es parcialmente soluble en agua. De acuerdo con la Ley de Henry, la eficiencia de disolución de un gas específico en una fase acuosa está basada en la presión parcial del gas en particular en el flujo total del gas, así como en la temperatura de ésta. Como es de esperarse, la solubilidad del ozono decrece conforme se incrementa la temperatura del agua. Sin embargo, como una consecuencia de la Ley de Henry, la solubilidad del ozono se incrementa con los incrementos de la concentración de ozono en la corriente gaseosa. En aplicaciones prácticas, el ozono no tiene el suficiente tiempo de contacto para alcanzar las condiciones de equilibrio, resultando menores niveles de solubilidad que los mostrados en la Tabla 3.7. Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua. Concentración de Ozono (% Peso) 0.001 0.1 1.0 1.5 2.0 3.0
A 5 °C 0.007 0.74 7.39 11.09 14.79 22.18
SOLUBILIDAD DEL OZONO [mg/L] A 10°C A 15°C A 20°C A 25°C 0.007 0.006 0.65 0.55 6.50 5.60 9.75 8.40 13.00 11.19 19.50 16.79 Fuente: Steven, (1997).
0.005 0.42 4.29 6.43 8.57 12.86
0.004 0.35 3.53 5.29 7.05 10.58
A 30°C 0.003 0.27 2.70 4.04 5.39 8.09
3. Difusión del Ozono en el Agua. Considerando la relativa baja concentración de ozono producido en la corriente del generador, junto con la limitada solubilidad del ozono gaseoso, el método de difusión
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del ozono en el agua es de gran importancia. Comúnmente se utilizan difusores de burbuja fina e inyectores de alta eficiencia ambos resultan prácticos, efectivos y económicos. a. Difusores de Burbuja Los sistemas de difusores de burbuja fina y tanques de contacto son muy usados debido a su habilidad para operar sin energía adicional, aparte de la compresión inicial del gas.
Fig. 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja fina. La última cámara todavía debe tener una concentración de ozono de 0.1 ppm (Deininger, 2000).
Algunas de las ventajas y desventajas de este tipo de difusión de burbujas son resumidas a continuación (DEL, 1996): Ventajas Se alcanzan altas eficiencias (>90%), no obstante esto requiere de múltiples puntos de inyección, profundas cámaras de contacto y frecuentemente reciclado de gas residual. Las eficiencias elevadas de difusión no se alcanzan normalmente con tanques de contacto de paso sencillo o de doble etapa. El sistema puede ser diseñado para permitir bajas caidas de presión hidráulica a través de los tanques. Desventajas El método de difusión requiere de profundos tanques de contacto para la efectiva transferencia de ozono (5-7 metros) a obstrucción de los difusores es posible,
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particularmente cuando el flujo de agua y las dosis de ozono son intermitentes, o cuando se desea la oxidación de hierro (Fe) y manganeso (Mn). Es posible la formación de canalizamiento vertical de las burbujas, lo que representa un efecto negativo en el contacto gas/líquido. b. Inyector de Alta Eficiencia. De acuerdo a los estudios de Steven (1997) el inyector puede proporcionar altas eficiencias de difusión (> 95), no obstante requiere de energía adicional para producir un vació parcial. Con este diseño el ozono disuelto se mezcla eficientemente con el cuerpo principal, colocando tanques de contacto para lograr la mayor eficiencia en el tratamiento del agua (ver figura 3.19). Ventajas
Dependiendo del tiempo de retención deseado, la profundidad y el volumen del tanque de contacto/reacción puede ser frecuentemente menores a los requeridos por los de difusión de burbuja. Este tipo de sistemas de difusión pueden ser adaptados a cualquier diseño hidráulico de planta. Correctamente diseñados, los contraflujos o vórtices de los mezcladores estáticos proporcionan bajas caídas de presión hidráulicas a la planta.
Desventajas
Se requiere de energía eléctrica adicional para una operación eficiente del inyector de vació. Estos sistemas no tienen una buena aceptación debido a su limitada capacidad, del dispositivo de inyección.
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A.
Válvula de desfogue de gas residual
Inyección de O3
Mezclador estático Alimentación de Agua Tanque de contacto
Tanque de contacto
A. Difusión en línea. B. Inyección. Gas residual
B Bomba impulsora de inyección
Tanque de contacto
Agua tratada.
Difusor de Burbuja
Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección.
Sin importar el método de difusión del azono en el Agua (Martínez y González, 2000) indican que los rendimientos de ozono dependerán de los factores siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Geometría y tipo de ozonizador (placa o tubo), Tipo de gas portador (aire u oxigeno), Temperatura, Caudal del gas, Voltaje aplicado, Humedad del gas.
Teóricamente pueden producirse 1058 g de ozono por KW-hr de energía eléctrica. Y en la mayor parte de los generadores industriales se obtiene un rendimiento de 150 g/KWhr, debido a la elevada disipación del calor. Purschrl, (1982), indica que para generar 4 g de ozono se requiere de un m3 de aire y una descarga eléctrica de corriente de 8 000 a 20 000. Por otra parte Martinez y González (2000) señalan que normalmente se requiere de 10 g O3 /m3 aire para obtener 1 g O3/m3 es decir; 100 lts de aire ozonizado por cada m3 de agua.
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4. Destrucción del Ozono Residual. El gas liberado de los contactores de ozono generalmente excede el límite establecido por la Ocupation Safety and Health Administration (administración de la Seguridad y Salud Ocupacional, HOSHA) de 0.1 ppm por volumen y consiguientemente el ozono restante se tiene que reciclar o destruir (Demers, 1996). La destrucción más simple consiste en la Reacción con Carbón Activado Granular (CAG). El material empleado es carbón elemental el cual ha sido activado con vapor, presentándose la siguiente reacción. 6C + 2O3 ----------- > 3CO2 + 3CO Entonces como el carbón es un poderoso agente reductor, en contacto con el ozono gaseoso, el carbón es oxidado a monóxido de carbono y bióxido de carbono, resultando la destrucción de la molécula de ozono. Para las instalaciones donde el oxígeno se emplea como gas de alimentación, los destructores de ozono por carbón no deben ser empleados, debido a los peligros de combustión y explosión (Navarro, 1999).
III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro Aunque el cloro es el agente más usado en la desinfección del agua potable, Viresi (2000) indica que el uso del ozono para este menester ha sido contínuo en Francia durante los últimos cien años, y posteriormente se ha extendido a Alemania, Holanda, Suiza y otros países de Europa, y más recientemente en Canadá y EE.UU. Con el uso del cloro se tiene la formación de compuestos indeseables en las aguas como: 1) Si las aguas a tratar contienen nitrógeno orgánico o amoniaco libre, se forman cloraminas que producen olores en el agua y posiblemente sean agentes cancerígenos. 2) Si las aguas contienen pequeñas cantidades de fenoles se forman, por adición de cloro los denominados clorofenoles que producen en el agua olores y sabores medicamentosos tan desagradables, que a concentración de 0,01 mg/l la hacen inaceptable para el consumo.
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3) Si el agua es portadora de materia orgánica adecuada, habrá formación de componentes clorados tales como los PCB'S (bifenilos policlorados) que tienen un probado carácter cancerígeno, y cada vez son más frecuentes. 4) Formación de los trihalometanos (THM) en aguas potables al ser tratadas con cloro. Estos son compuestos orgánicos potencialmente cancerígenos. Ventajas del Ozono vs Cloro en la destrucción de bacterias y virus: Bringman observó que 0,1 mg/l de cloro requiere 4 horas para eliminar 6x104 células de E. Coli en agua, mientras que 0,1 mg/l de ozono necesita únicamente 5 segundos. Kessel encontró que para desinfectar un agua que contiene virus de la poliomielitis con 1 mg/l de cloro se necesitaban 2 horas, y con sólo 0,05 mg/l de ozono bastaban únicamente 2 minutos. El ozono tiene un poder de desinfección de 300 a 3000 veces más rápido que el cloro (Viresi, 2000). A continuación se muestra una tabla con la comparación del uso de ozono y cloro en la potabilización del agua. Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar. Comparación de la acción del cloro y del ozono en la potabilización de las aguas ACCIÓN
CLORO
OZONO
Olor
Desagradable en el agua
Ninguno
Sabor
Desagradable en el agua
Ninguno
Color
Hacia el amarillo
Incoloro
Poder oxidante
Bueno
Inferior sólo al flúor
Actividad antiviral
Prácticamente ninguna
Elevada
Actividad antibacteriana
Muy variable de especie a especie
Actividad destructiva contra los helmintos
Leve
Capacidad actividad antibacteriana elevada Elevada
Actividad destructiva contra algas y protozoos
Leve
Elevada
Actividad destructiva contra hongos
Leve
Elevada
Actividad destructiva contra esporas y quistes
Leve
Elevada
de muy
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Continuación... Actividad destructiva contra microcontaminadores: hidrocarburos, fenoles, detergentes, sustancias colorantes, pesticidas
Desde ninguna a leve
Elevada
Actividad contra moléculas desagradables: olor y sabor
Ninguna
Elevada
Oxidación indirecta con producción de cloro fenoles ...
Oxidación directa con oxigenación del agua
orgánicas
Mecanismo reacción producción intermedia
Fuente: (http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm)
III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas InterOzone, (2002) el uso del ozono es uno de los esterilizantes más eficaces que existen para aguas tratadas o naturales de mediana y buena calidad, ya que actúa como agente bactericida, viricida y alguicida. Frente a los inconvenientes del cloro, el ozono no forma productos que pueden considerarse como cancerígenos ni produce sabores u olores al agua, sino que elimina las posibilidades carcinógenas y elimina los sabores del agua, Gray (1999). Agua Crystalinn, (2002), usualmente el ozono se aplica al agua justo antes de envasarse como paso final de tratamiento, de manera que en el sellado del producto estéril, en el envase todavía hay un residual de ozono, lo cual desaparece en cuestión aproximada de una hora. Ventajas. Elimina el color causado por el hierro o manganeso o la materia carbonosa, los sabores y olores debido a la presencia de materia orgánica. Reduce la turbiedad, el contenido en sólidos en suspensión y las demanda química (DQO) y biológica (DBO) de oxígeno. Si no hay posterior recontaminación, el ozono residual es suficiente para efectuar una desinfección común. El ozono disuelto en agua no irrita la piel, nariz u oídos, además que no reseca o deja una película de químicos sobre la piel. Ya que puede ser detectado por el hombre mucho antes de que llegue al estado tóxico. No produce en el agua aumento en el contenido de sales inorgánicas ni subproductos nocivos (no afecta el balance del pH).
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El agua ozonizada puede utilizarse para el enjuague final de envases como medida adicional de protección del producto terminado. Además protege contra reinfección del agua por envase o el tapón. No requiere de manejo de productos químicos. Desventajas. Altos costo en: los equipos, operación (energía eléctrica El ozono realiza una desinfección solo si se ha realizado una buena depuración y clarificación del agua. Puede formar otros subproductos perjudiciales, entre los que destacan los bromatos y aldehídos. Las razones por las que no se ha utilizado el ozono en los EE.UU., para el suministro de agua pública, ha sido el costo de inversión del equipo y el hecho de que se proporciona una protección contra los contaminantes y se debe utilizar una cloración Weber, (1979). Puede formar óxido nítrico ó ácido nítrico, que causaran corrosiones en los equipos.
III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad En la siguiente tabla se muestran los niveles seguros de ozono más comunes y los limites establecidos por diferentes agencias. Tabla 3.9 Rango de ozono permisible. Observaciones
O.3 (PPM) 0.11 (100 pts. IMECA)
Límite establecido para la calidad del aire en México, en una hora una vez al año, en un periodo de tres años.
0.121
Límite establecido por la Enviromental Protection Agency (EPA) para la calidad del aire ambiental en las ciudades.
0.10
Límite para exposiciones por 8 horas sin efectos colaterales establecidos por la American Conference of Governmental Industrial Hygienists.
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Continuación. 0.05
Limite para generadores de ozono clasificados como aparatos médicos establecido por la Food Drug Administration (FDA).También se usa un valor limite de ozono para precipitadores electrostáticos (Underwriters Laboratory).
0.03-0.06
Valor frecuentemente medido en las Ciudades.
0.01-0.015
Umbral de percepción olfativa para la mayoría de la gente.
0.005-0.01
Valor medido en aire fresco de campo. Fuente: Sutton y Del Industries, (1993).
Al ser el ozono un oxidante fuerte, puede producir trastornos en los tejidos humanos y particularmente en los ojos y pulmones. Por lo que para evitar esos problemas se han establecido unos limites para los ambientes de trabajo que se exponen en la tabla 3.10. Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono. LIMITE 0,01 - 0,05 ppm
EXPOSICIÓN Olor detectable
1 ppm
8 minutos
3 ppm
15 minutos
0,1 ppm
8 minutos
Fuente: (http://www.aguapotable.netfirms.com.com/ozoniz2.html).
III.6.2.1.8 Aplicaciones Tanto el cloro como el ozono son oxidantes, la desinfección utilizando cloro se lleva a cabo por la oxidación de los grupos aminoácidos de las células bacteriales y de las cápsulas proteínicas de los virus. Y el mecanismo de desinfección del ozono es la oxidación citoplasmática completa de los virus y bacterias. El ozono tiene una eficiencia rápida para desactivar los virus. Bajo condiciones controladas el 99 % de los polivirus, pueden ser destruidos con 0.1 mg/l de ozono residual en 10s. La misma concentración de cloruros requiere de 10 min.
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A continuación se entrega un listado con los campos de aplicación del ozono más comunes: Potabilización del agua.
Plantas faenadoras y
Tratamiento de aguas residuales.
procesadoras de carnes.
Aire al interior de edificios
Procesado de verduras.
Desinfección de agua en la
Invernaderos.
industria embotelladora (agua de
Agua ultrapura.
proceso y lavado de envases).
Criaderos de animales (control
Acuicultura
microbiológico y de olores).
Conservación de productos.
Piscinas comerciales
Uso del ozono en la industria embotelladora El agua a ser empleada en la formulación de bebidas y otros productos, una vez purificada, es dosificada con ozono hasta obtener los niveles residuales requeridos para su completa desinfección. En el caso del agua purificada que será envasada sin gasificar, el mantener un residual de ozono en el momento de su envasado, permite que las botellas y las tapas estén libres de microorganismos. Incluso después de muchos años de almacenaje, esta agua tendrá el mismo sabor tan fresco como el primer día en el que fue envasada. Los procedimientos para alcanzar estos objetivos son simples y fáciles de obtener en las condiciones normales de trabajo. El agua ozonificada es empleada para el enjuague de botellas, a fin de asegurar la ausencia de microorganismos previo al envasado (Bio Light, 2002).
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III.6.2.2 Cloración III.6.2.2.1 Aspectos generales En 1846, el doctor Ignaz Semmelweis instituyó un procedimiento de desinfección que requería que los médicos se lavasen con jabón y agua de cloro. Uno de los primeros usos conocidos del cloro para la desinfección del agua se dio en 1854, cuando el Dr. John Snow intentó desinfectar el abastecimiento de agua de bombas de la calle Broad en Londres después de un brote de cólera (Keith, 2001). La filtración y la desinfección con cloro del agua potable han sido responsables del 50% de aumento de la expectativa de vida en los países desarrollados durante el siglo XX. El principal objetivo de la cloración es la destrucción de gérmenes, dado su gran poder bactericida, pero no debe olvidarse que su elevado poder oxidante origina otros efectos también muy importantes, como pueden ser la contribución a la eliminación del hierro y manganeso, eliminación de sulfhídrico, sulfuros y otras sustancias reductoras, reducción de sabores existentes antes de la cloración o bien producidos por los compuestos de adición formados por el cloro, impedir el crecimiento de algas y otros microorganismos que interfieren en el proceso de coagulación-floculación y filtración, mantener los lechos filtrantes libres de posibles crecimientos de bacterias anaerobias, reducción del color orgánico, etc. (netfirms, 2000).
III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración Naturaleza, concentración y distribución de los organismos que se van a destruir, concentración y distribución de la sustancia desinfectante y de los productos de su reacción con el agua, además de las sustancias disueltas o en suspensión presente en el agua. Naturaleza y temperatura del agua objeto del tratamiento. Tiempo de contacto entre el cloro y el agua. pH del agua.
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La exposición del cloro parece causar alteraciones físicas, químicas y bioquímicas en la pared de la célula. Por lo tanto, destruye la barrera protectora de la célula, con lo que concluyen las funciones vitales y da lugar a la muerte del microorganismo. (sitio Web Scientific American, 1998 citado por Keith, (2001) A partir de 0.1 a 0.2 ppm de cloro libre residual en el agua, ya se percibe sabor, percibiéndose antes cuanto mayor sea la dureza y temperatura del agua (netfirms, 2000). En agua con presencia de sustancias orgánicas, la acción desinfectante del cloro es menor. Las bacterias y virus pueden quedar protegidos de la acción del cloro por los sólidos suspendidos en el agua; de aquí que la eficacia de la cloración se vea aumentada mediante la subsiguiente filtración y una posterior esterilización. Respecto a la temperatura, la eficacia de cloración aumenta al aumentar aquélla, naturalmente siempre que las demás condiciones permanezcan invariables. El tiempo de contacto es otro factor importante a tener en cuenta, ya que durante este tiempo tienen lugar las reacciones entre el cloro y el agua y las sustancias en ella presentes. El tiempo de contacto mínimo suficiente para una cloración eficaz es, a su vez, función de la temperatura, pH, concentración y naturaleza de los organismos y sustancias presentes en el agua, así como de la concentración y estado en que se halle el cloro. Como mínimo, el tiempo de contacto deber de ser de diez a quince minutos (netfirms, 2000). Para que la acción de un desinfectante sea eficaz, hay que mantener una determinada concentración del desinfectante durante un período de tiempo, es decir, la expresión de C. t., representaría la concentración del desinfectante final en mg/l (C) durante el tiempo mínimo de exposición en minutos (t). La expresión que nos muestra el efecto de la concentración del desinfectante sobre la velocidad de destrucción de bacterias, se expresa más correctamente por Cn. t = Constante (netfirms, 2000). El exponente n para el cloro varía entre 0.5 y 1.5, dependiendo de la temperatura y del pH. El pH juega un papel de suma importancia, el poder bactericida del cloro es menor para un pH superior a 7, que para otros valores de pH más bajos a éste (netfirms, 2000).
III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua Al reaccionar el cloro con el agua, que son reacciones de hidrólisis, se originan ácidos hipocloroso y clorhídrico:
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Cl2 + H2O
ClOH + ClH
El ácido clorhídrico es neutralizado por la alcalinidad del agua y el ácido hipocloroso se ioniza, descomponiéndose en iónes hidrógeno e iónes hipoclorito: ClOH H+ + ClO La constante de ionización del anterior equilibrio es:
H ClO Ki
(3.42)
ClOH
Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura. Temperatura °C
0
Moles / l Ki
1.5* 10
5 -8
1.5*10
10 -8
15 -8
2.0*10
2.2*10
20 -8
25 -8
2.5*10
-8
2.7*10
Fuente: netfirms, (2000).
La constante de hidrólisis de la reacción (1) es de tal orden que no existe en el agua una concentración apreciable de Cl2 a no ser que la concentración de H+ sea elevada, es decir, que el pH del agua sea bajo, menor de 3, y haya una concentración total de cloruros mayor de 1 mg / l. A las temperaturas ordinarias del agua, la hidrólisis del cloro es prácticamente completa en algunos segundos y la ionización del ácido hipocloroso es una reacción reversible instantánea. El sentido de esta reacción, es fácil ver que se encuentra dirigido por la concentración de iónes hidrógeno, es decir del pH. Por tanto, se puede decir que según sea el pH del agua, se obtendrán unos porcentajes diversos de ClOH y CIO-, porcentajes que pueden calcularse mediante la ecuación 3.42 y la tabla anterior en la que figuran los valores de Ki partiendo de la relación:
ClOH 1/1 ClO ClOH ClO ClOH
(3.43)
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Y deduciendo de la ecuación 3.42:
ClO
ClOH
Ki H
sustituyendo en 3.43, resulta:
ClOH 1/1 Ki ClOH ClO H III.6.2.2.4 Demanda de cloro Al incorporar el cloro al agua, reacciona con las sustancias que ésta contiene, quedando menos cloro en disposición de actuar como desinfectante. Entre estas sustancias destacan el manganeso, hierro, nitritos, sulfhídrico y diferentes materias orgánicas, las cuales, además de consumir cloro, producen compuestos orgánicos clorados que pueden ser la causa de olores y sabores desagradables. Otra sustancia presente, a veces, en el agua y que reacciona de una forma muy particular con el cloro es el amoníaco. En este caso se forman compuestos denominados cloraminas, las cuales poseen poder desinfectante, aunque en menor grado que el cloro (netfirms, 2000). Una vez formados los diversos derivados orgánicos del cloro y las cloraminas, llegan a destruirse mediante la adición de más cloro, formándose otros compuestos que no suministran cloro residual. Cuando se han destruido estos compuestos clorados, comienza a aparecer el cloro residual libre, y a medida que se añade cloro al agua aumenta la concentración de cloro residual libre, pudiendo subsistir a la vez una pequeña concentración de cloro residual combinado, debido a compuestos que no han sido destruidos totalmente. Se considera que cuando el 85 % ó más del cloro residual del agua está en forma libre, la desinfección se ha realizado al breakpoint (netfirms, 2000). El control perfecto de la desinfección, se efectúa mediante los correspondientes exámenes bacteriológicos del agua, pero para un control más rápido del contenido en cloro libre y combinado de un agua tratada, se determina la concentración de cloro residual mediante el método del DPD, o bien por yodometría y valoración con tiosulfato sódico; también en instalaciones importantes suelen emplearse instrumentos automáticos de medida permanente, mediante determinaciones colorimétricas o determinaciones amperométricas (netfirms, 2000).
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III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución El consumo de cloro en el agua de una red de distribución se debe, por una parte, al consumo del cloro por la propia agua (sustancias presentes en ella y otras condiciones físicas) y por otra, al consumo que se produce en la interfase con las paredes de las conducciones (netfirms, 2000). Para un agua correctamente pretratada, se debe mantener una concentración de cloro en el tiempo (C. t.) del orden de 15 mg. min. /l. A título de ejemplo comparativo, se muestran valores C. t. para diversos desinfectantes (netfirm, 2000): Cloro
= 15 (0.25 mg/l. durante 60 minutos)
Ozono
= 1.6 (0.40 mg/l. durante 4 minutos)
ClO2
= 10 (0.30 mg/l. durante 33 minutos)
Monocloramina
= 100 (0.80 mg/l. durante 120 minutos)
III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro Cloraminas. En este proceso se agrega amoníaco y compuestos de cloro a una planta de filtración de agua. Cuando se controla adecuadamente, la mezcla forma cloraminas. Éstas se usan comúnmente para mantener un residuo en el tratamiento de distribución del sistema posterior con un desinfectante más potente, como el cloro libre (White, 1986 citado por Keith, 2001). Dióxido de cloro (ClO2). El dióxido de cloro se genera en las instalaciones de tratamiento de agua. La popularidad del dióxido de cloro como un desinfectante de agua aumentó en los años setenta cuando se descubrió que no promovió la formación de THM (White, 1986 citado por Keith, 2001). Los iónes clorito y clorato pueden formarse significativamente por desdoblamiento del ácido cloroso en aguas débilmente alcalinas. Holluta y Haberer (1977) citados por González y Martínez (2000), han indicado que al eliminar los compuestos clorofenólicos, que producen gusto por el dióxido de cloro se forman cloroquímicos.
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III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista. Desinfectantes
Eficacia de desinfección
Mantenimiento de residuos
Estado de información en la química del subproducto
Remoción de colores
Remoción de olores comunes
Cloro
Bueno
Bueno
Adecuado
Bueno
Bueno
Cloraminas
Pobre
Bueno
Limitado
Inadmisible
Pobre
Dióxido de cloro
Bueno
Inadmisible
Adecuado
Bueno
Bueno
Ozono
Excelente
Inadmisible
Limitado
Excelente
Excelente
Radiación Ultravioleta
Acertado
Inadmisible
Nulo
N/A
N/A
Fuente: Trussell, R. Rhodes, Control Stategy 1: Alternative Oxidants and Disinfectants. (1991) citado por Keith, (2001).
Aunque no hay un desinfectante perfecto, el más adecuado y la cantidad a aplicar dependerá de las condiciones y circunstancias locales que al fin nos lleve a disponer de un agua con el más bajo olor y sabor al desinfectante y subproductos derivados de él, a la vez que se consiga la mayor efectividad de desinfección (netfirms, 2000).
III.6.2.2.8 Equipos de cloración En condiciones normales de temperatura y presión el cloro es un gas de color amarillo verdoso de olor penetrante. Es extremadamente reactivo, por lo que en la naturaleza no lo encontramos en estado puro sino combinado, formando mayoritariamente sales metálicas, de las cuales la más abundante es el cloruro sódico. El cloro se obtiene en el proceso de electrólisis de la sal (clorosur, 1999). El cloro que se emplea en las instalaciones de cloración, en estaciones de tratamiento, suele suministrarlo la industria en botellones de 50 kilogramos y tanques o bidones de 1000 kilogramos, en los cuales el cloro está a presión en fase líquida en equilibrio con la parte gaseosa (netfirms, 2000).
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Los cloradores o clorómetros, a donde llega el cloro gas que sale de los evaporadores (o directamente procedente de los contenedores en el caso de pequeñas instalaciones, que no requieren evaporador), regulan la cantidad de cloro a dosificar. El principio de funcionamiento de los cloradores se basa en la transmisión del vacío creado por la circulación de agua a través de un inyector a una válvula diferencial, que mantiene una presión diferencial constante en un regulador de caudal, con válvula de orificio de sección variable, para regular el caudal. Por su parte, el cloro a presión llega a una válvula reguladora de presión, hasta quedar a una presión inferior a la atmosférica, y de aquí a un rotámetro para medir el caudal. El cloro pasa a la válvula de presión diferencial y a continuación al inyector, donde se mezcla con una corriente de agua auxiliar, obteniéndose un agua fuertemente concentrada (entre 1 y 3 gr/l) que es la que se envía al agua objeto de la cloración (netfirms, 2000). Conocidas las concentraciones de Fe, Mn, nitrito, amonio y DQO-Mn se puede estimar aproximadamente la dosis de cloro requerida por un agua. En el orden práctico, según netfirms (2000) aguas brutas de buena calidad suelen presentar demandas de cloro inferiores a 4 - 5 g/m3, aguas de calidad media (contenidos moderados de Fe, amonio y DQO-Mn) requieren hasta 10 - 12 g/m3, mientras aguas de mala calidad exhiben demandas de cloro superiores a 20 g/m3.
III.6.2.2.9 Protección de la salud pública Los agentes patógenos transmitidos por el agua que causan las enfermedades se agrupan en tres clases generales: bacterias, virus y protozoos parasitarios, cada una con diversas especies identificadas. Las bacterias y virus contaminan las aguas superficiales y las subterráneas, mientras que los protozoos parasitarios aparecen predominantemente en el agua superficial (Tardiff, 1993 citado por Keith, 2001).
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Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua. Bacterias Campylobacter Escherichia coli Salmonella (no tifoidea) Shigella Yersinia Vibrio (no cólera) Salmonella (tifoidea) Vibrio (cólera) Legionella
Virus Norwalk-like Entero (poliomielitis, coxsackie,
Protozoos Cryptosporidium parvum Giardia lamblia Entamoeba histolytica
echo, rotavirus) Hepatitis A Rotavirus
Las bacterias y protozoos generalmente inducen a trastornos gastrointestinales con una intensidad muy variable. Las bacterias también causan enfermedades potencialmente mortales como tifoidea y cólera. Los virus causan graves enfermedades como la meningitis aséptica, encefalitis, poliomielitis, hepatitis, miocarditis y diabetes (Payment, 1993 citado por Keith, 2001). Además, los trastornos gastrointestinales pueden atribuirse a microorganismos no identificados o no especificados Según la Organización Mundial de la Salud, la desinfección con cloro es aún la mejor garantía del agua microbiológicamente potable (Oficina Regional de la OMS para Europa, Drinking Water Disinfection), citado por Keith 2001.
III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección Un informe publicado en 1994 por la Sociedad Internacional de Legislación de Toxicología y Farmacología declaró que "la reducción de la mortalidad debido a enfermedades infecciosas transmitidas por agua, atribuida en gran parte a la cloración de abastecimientos de agua potable, parece exceder cualquier riesgo de cáncer teórico (tan bajo como 0) presentado por las cantidades de minutos de productos químicos orgánicos clorados que se encontraron en las aguas potables desinfectadas con cloro" (Coulston y Kolbye, 1994 citado por Keith 2001). Uno de los mejores métodos para controlar los subproductos de desinfección (SPD) de cualquier proceso de desinfección es eliminar los precursores orgánicos antes de la desinfección. Otros métodos convencionales incluyen el cambio del punto de cloración, usando cloramina en el sistema de distribución y disminuyendo la tasa de alimentación
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de cloro, aunque esto pueda conducir a aumentos inadmisibles del riesgo microbiano. Un informe del Comité de Calidad del Agua de la American Water Works Association (AWWA) identificó procedimientos eficaces para reducir la formación de trihalometanos (THM) de la siguiente manera (AWWA, 1991 citado por Keith 2001): Coagulación y clarificación. La mayoría de las plantas de tratamiento optimizan su proceso de coagulación para remover la turbiedad (partículas). Sin embargo, se pueden optimizar los procesos de coagulación para remover naturalmente las sustancias orgánicas. Los precursores se eliminan cuando el alumbre o sales de hierro se usan como coagulantes para el control de turbiedad. La remoción adicional de precursores se logra generalmente al reducir el pH antes de o durante el agregado de estos coagulantes. Adsorción. Los procesos de adsorción se han usado con éxito en algunas aplicaciones para extraer el material de desinfección del precursor del subproducto. El carbono activado puede proporcionar adsorción. Se ha realizado una significativa investigación para determinar la capacidad disponible de carbono activado para las sustancias orgánicas disueltas y para los micro-contaminantes específicos. Tanto el carbono activado granular como el carbono activado en polvo cumplen esta función. Tecnología de membrana. Las membranas se han usado desde hace mucho para desalmar las aguas salobres. El proceso usa la presión hidráulica para forzar al líquido a pasar a través de una membrana semipermeable. Se ha demostrado que con esta tecnología se remueven con éxito los precursores de THM. En el informe de la AWWA se señala que los procedimientos de la membrana "eliminan efectivamente los precursores del producto finalizado (agua potable), lo que la convierte en una opción prometedora para el control futuro de THM y otros subproductos de desinfección".
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IV. Materiales y Métodos
IV.1 Localización Geográfica La Universidad Autónoma Chapingo, se encuentra a 38.5 Km. de la Ciudad de México, dentro de las coordenadas geográficas 19°29’ 05‖ latitud norte, 98°53’11‖ longitud oeste y una altitud de 2240 msnm. El Campus cuenta con una Preparatoria Agrícola (única en su tipo), 21 especialidades de nivel licenciatura, doce Departamentos y 11 posgrados.
IV.2 Clima Se presenta un clima templado semiseco con lluvias en verano ―C(w0)‖, la temperatura media anuales es de 15 °C con una media máxima de 37 °C y una media mínima de 11 °C, con una precipitación media anual mayor a 800 mm.
IV.3 Estudio de Mercado
IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas La guerra de las aguas embotelladas es ya un hecho en México. Miles de empresas purificadoras, ―pseudo-purificadoras‖ o simples ―llenadoras‖, saturan el mercado nacional y ofrecen sus productos al mejor postor, convirtiéndose en una supuesta alternativa al sistema de agua potable. Sin embargo, cerca del 85% de estos negocios no cuentan con la infraestructura y los controles sanitarios necesarios para garantizar la higiene y la seguridad que los consumidores merecen (Mundo Ejecutivo, 1996 citado por Delta, 2001).
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A pesar de ser una industria que genera 300 mil empleos y que ha realizado inversiones millonarias estimadas en más de 6,350 millones de pesos (provenientes únicamente de una tercera parte de las empresas que conforman el sector), el agua purificada se ha convertido en un negocio sencillo para quienes a costa de la salud e incluso, de la vida de los consumidores, obtienen importantes utilidades. Así, el Distrito Federal y el Área Metropolitana son las principales zonas del país que enfrentan el problema de la ―infección embotellada‖. En esta región, en la que habitan mas de 20 millones de personas, operan las principales empresas dedicadas a la fabricación y embotellado de agua purificada, pero la mayor parte de ellas no cumple con las normas mínimas de higiene y pureza del líquido, ni con controles sanitarios en el manejo de los recipientes que día con día llegan a millones de hogares capitalinos, sin contar que otro tanto de empresas trabajan en la clandestinidad o con patentes ―piratas‖ (Mundo Ejecutivo, 1996 citado por Delta, 2001). En un estudio realizado por la PROFECO en ocho ciudades del país con 29 muestras se tuvo la siguiente tabla 4.1 (Lobato,1995): Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país. Estado Acapulco Cancún
Calidad Microbiológica # Muestra Nacional Importada Buena 2 2 1 5 5 2
Mala 1 3
DF y Zona Conurbada 5 4 1 3 2 Guadalajara 2 2 2 Monterrey 7 7 5 2 Durango 2 2 2 Pachuca 1 1 1 Tijuana 5 4 1 1 4 Fuente: Calidad de filtros, Desinfectantes de Agua y Aguas envasadas.
De las cuales el 41 % es de mala calidad; y el 7 % se importa. En otra investigación reciente por la Universidad de Guadalajara, de 200 muestras (100 garrafones cerrados y el resto abiertos) de agua de garrafón de diferentes marcas comerciales, se encontró que el 32 % de los garrafones cerrados no cumple con la NOM-041. Además el 3 % de ellos contenía Aeromonas. En muestras que si cumplían con la norma se aísla un 6 % de positivos de Aeromonas, se obtuvieron a partir de muestras que si cumplían con la NOM-041. Por otra parte los resultados de muestras
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de agua obtenidas de garrafones abiertos en uso intra domiciliario, rebasan los parámetros referidos en un 74 %. Del 37.8 % de positivos a Aeromonas, el 3.8 % corresponde a muestras que si cumplían con los parámetros de la NOM-041 (Rodríguez, 2000). De hecho, es evidente que las condiciones de suministro de agua a la población son, en parte, las razones de la proliferación de las plantas purificadoras. El surgimiento de enfermedades como el cólera ha propiciado también que las autoridades federales excedan sus dosis de cloro en el líquido, lo cual representa un contaminante más, sin considerar que el cloro deja mal sabor y olor en el agua (Lobato, 1995).
IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada El incremento de las ventas de esta industria supera en 20% la comercialización de refrescos embotellados y envasados en el país, lo que denota su acelerada expansión. Asi en los últimos 10 años, se ha registrado un crecimiento de esta actividad de entre 15 y 20 por ciento, Ezquer,(1996). En el año 2001 el incremento fue del 22 por ciento a nivel nacional (Ramírez, 2002). Para el año de 1996 de las empresas purificadoras solo 100 aceptaron ingresar al programa denominado ―Agua Purificada de Calidad Certificada‖, avalado por la firma NORMEX (Ezquer, 1996). El mercado del agua embotellada representa una producción nacional de 1,440 millones de garrafones anualmente; en el DF se consumen diariamente 500 mil garrafones, 150 mil en Jalisco y 36 mil en Puebla. El consumo per cápita nacional de agua embotellada, de acuerdo con cifras de la Asociación, es de 0.72 litros por día. Es así como de la producción total, el 90% se distribuye en garrafones con capacidad de 19 litros. El restante 10% se entrega en diversas presentaciones (Mundo Ejecutivo, 1996 citado por Delta, 2001).
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IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de Producción El recurso principal para el proyecto lo constituye el agua, para ello conlleva a la revisión de la ley de aguas nacionales, originada por él artículo 27 de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos. Para una mayor conveniencia, la materia prima que se procesara proviene de los mantos freáticos y/o ríos subterráneos. De alguna otra manera como es el caso de lagos o ríos que ya no dispone este lugar, ocasionaría en el proceso una calidad no homogénea y una contaminación variable en el producto. La Universidad cuenta con cuatro pozos para sus diversas actividades, sin mencionar los ocupados para riego. Tres de ellos están conectados superficialmente mediante tuberías, lo cual implica que no existe un problema para la selección de la fuente de la materia prima ya que en el momento de no funcionar uno de ellos estarán disponibles los dos restantes. El otro lo dispone el Departamento de Sociología para su propio uso. Uno de los aspectos más relevantes es que la calidad del agua que se extrae diariamente para los servicios de dicha institución es de buena calidad, con un buen grado de potabilidad, y mediante un proceso se puede lograr un alto grado de pureza para el consumo humano, sin que esto represente el manejo de tecnologías demasiado caras. Al verificar los resultados del análisis fisicoquímico y compararlos con los datos de las normas mexicanas se observa que el sitio provee de materia prima de muy buena calidad con requerimientos mínimos de purificación, ver tabla 4.2. Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado. PARAMETRO
NOM-041 SSA1-1993 ANÁLISIS POZO (Yucateco)
Alcalinidad
300 ppm
202.66 ppm
Sol. Totales
500 ppm
356 ppm
6.5-8.5
6.17
Dureza Total
200 ppm
135.954 ppm
Color
15 UCV
-
pH (potencial de hidrógeno)
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IV.3.4 Determinación de la Demanda Se llevó acabo una serie de encuestas a la comunidad estudiantil, administrativa y académicos, el cual es una manera muy sencilla para la recopilación de información mediante un sondeo, además que permite una comunicación más directa con el usuario obteniendo una información muy variada. Para este proceso se tuvo que segmentar la población en dos grupos o muestras selectivas de individuos, una los administrativos y académicos y la otra integrada por los estudiantes. El propósito era conocer las preferencias del consumo de agua en garrafón así como aspectos económicos. Dentro de la información se encontró que el primer grupo consume el agua por estar a su disposición. En el caso de algunos Departamentos que no brindan este servicio a su población, prefieren hervir el agua en su casa y en pocos casos comprarla. Como este grupo está fijo en la Universidad por mas de 10 años, es necesario contar con datos más precisos, es por eso que se visitó la empresa que tiene la oferta oligopólica en la Universidad. En el caso de los Departamentos que no están con está empresa, se acudió directamente a la oficinas administrativas donde se proporcionó la información de la marca y total de agua consumida semanalmente. La demanda actual se considera un bien social esencial, ya que la población requiere este producto para su desarrollo y crecimiento diario, por ser un líquido imprescindible. Y por la temporalidad contínua ya que todo el año se necesita consumir, y a la vez estacional por incrementarse más su consumo en los periodos cálidos, así se considera una demanda de bien fin; por que va destinada directamente al consumidor para su uso o aprovechamiento. Con respecto a la segunda muestra, se planteó una estrategia que consistió en realizar un sondeo así como una visita a las principales tiendas que se encuentran a primera instancia del consumidor. El estudio realizado arrojo que la mayor demanda es la muestra uno, lo que otorga mayores ventaja para el tamaño de la planta.
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IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto El agua purificada tiene múltiples usos, el principal en la Universidad es el consumo directo y la elaboración de productos preparados, diluidos, concentrados, y por lo general se utiliza para beber en forma directa. A pesar de ser un líquido indispensable para el ser humano, puede transmitir enfermedades infecciosas como la fiebre tifoidea, la disentería, el cólera, la gastroenteritis entre otras por lo que sus beneficios a la salud humana dependen solo de la calidad, y de esa manera no ingerir algunas impurezas u algunos agentes infecciosos. Por tal, la transformación del agua está acorde a la sociedad, y pasó de ser un elemento esencial natural a un producto elaborado y comercializado. La presentación del producto será en dos tipos básicamente en garrafón (19 lt) y en envase menor fabricados de policarbonatos (PC) o vidrio con tapas elaboradas de polietileno (PE) selladas a presión, además de las presentaciones de botellas fabricadas de polietilentereftalato (PET), selladas con tapa roscas y un sistema inviolable, así como tener una etiqueta adherida al envase con la información, que establecen las NOM. Respecto a algunos de los insumos de producción que serán indispensables se presentan los siguientes:
Envases de PET, presentaciones de 500, 1500 ml. Garrafones de 19 lts de Policarbonato de Sodio. Garrafones de 19 lts de vidrio. Etiquetas de tamaño según las presentaciones. Taparoscas de las mismas características. Tapones para garrafones de 19 lts.
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IV.3.6 Agua Purificada en México La calidad microbióloca del agua en nuestro país, es un renglón que ha merecido especial atención, debido al gran impacto que su consumo ha implicado para la salud pública. No obstante los esfuerzos que las autoridades realizan día con día no ha permitido garantizar a la fecha su inocuidad. Ante esta situación y la magnitud que se tiene en el mercado, el producto ha sufrido una mayor diversificación en la comercialización e innovaciones en la presentación del mismo. Por lo que para cubrir los diferentes mercados existen presentaciones desde 19 litros hasta 250 mililitros. El agua de garrafón es quizás la presentación más antigua que se conoce, habiendo hoy de materiales de vidrio, plástico y poli carbonato. Armenta, (2000) menciona que el consumo de Agua de garrafón toma cada día más auge entre la población, que el crecimiento tiene un ritmo anual del 10 % en los últimos siete años. Actualmente se estima que se consumen alrededor de un millón de garrafones por día en la Ciudad de México. En lo que se refiere a presentaciones personales se estima que el consumo es de 10 millones de litros diarios aproximadamente. El consumo anual por individuo, es de 970 litros (incluyendo agua, vinos, jugos, leche y cerveza) o sea 2.6 litros diarios por persona. En lo que respecta al consumo de agua de garrafón en la UACH; tanto los trabajadores académicos como administrativos, seria como se muestra en la tabla siguiente. Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón. Garrafón de 19 lts.
%
0- 0.5
15.09
1
20.75
1.5
1.88
2.0
33.96
2.5
1.88
+3
5.66
Desconoce.
11.32
Ninguno.
9.43
Fuente: Datos de trabajo
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El promedio general de consumo de agua es de 9.5 litros por semana-persona, 5.43 litros por familia diariamente. Y a nivel institución es de 0.51 lts diariamente. Por otra parte la gran mayoría de la distribución del agua de garrafón es a través de camiones con entrega domiciliaria y los demás los adquieren en las tiendas, súpermercados, carritos y en los depósitos. Las exigencias de un mercado libre dieron lugar a que las plantas purificadoras innovaran nuevas presentaciones de 330 ml hasta 3785 ml. En cuanto a las presentaciones del agua se tiene la grafica:
Grafica. 4.1 Presentaciones de agua purificada en la UACH.
Finalmente, la distribución del agua purificada en envase menor es la que tiene mayor demanda en las tiendas que se encuentran ubicadas dentro de la Universidad y en un porcentaje bajo fuera de dicha institución.
IV.3.7 Comportamiento de la Demanda La venta del agua de garrafón está garantizada ya que se está convirtiendo en una necesidad cotidiana. Por lo que la demanda incrementa conforme se presenten las variaciones de temperatura y de la ubicación del lugar donde se reside, de tal manera que se sigue un comportamiento al que se presenta en la grafica 4.2.
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Grafica 4.2 Comportamiento del consumo de Agua purificada en la UACH.
En esta gráfica se ve que los únicos meses donde no se consume agua es por el término de cada semestre e inicio de tal.
IV.3.8 Análisis de la Demanda Como la Universidad proporciona este servicio, no podemos tener un limitante al nivel económico poblacional, pero si en brindar un gusto a las personas que buscan algo natural contra la sed, que sea sano, que le garantice salud a su organismo buen sabor y a demás sin azúcar o endulzante. Se tiene el conocimiento que años atrás varias marcas ya estuvieron brindando su servicio a este mercado, sin embargo la desconfianza de su calidad conllevó a que se realizara un concurso donde las empresas purificadoras pondrían a la mesa la calidad del producto que ofrece su precio. El resultado por una marca ganadora condujo a que varios Departamentos optaran por escoger otra fuente y de esa manera garantizar su salud.
IV.3.9 Demanda Actual Actualmente la Universidad cuenta con tres poblaciones con ámbitos distintos, los trabajadores: Académicos, administrativos; y los estudiantes. De los cuales los dos primero son los principales beneficiados de agua purificada en las oficinas de cada Departamento. Teniendo una demanda total por semana de 397 garrafones que les son
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insuficientes para cubrir los cinco días de trabajo, para esto se requieren de 496 garrafones para cubrir la semana el cual representa un 73.58 % de trabajadores. Con respecto a la población de estudiantes el 11.32 % consume agua purificada de las cuales el 7.93 % consume agua en presentaciones de 500 ml, el 1.47 % de un litro, el 1.72 % prefieren de 1500 ml, y el 0.2058 % compra en envases de 2000 ml.
IV.3.10 Proyección de la Demanda La demanda del agua purificada está en función de la aceptación de la población consumidora; sus características deben satisfacer los beneficios que las marcas actuales le son de su confianza. El abastecimiento constante y oportuno es un aspecto que debe considerar en la apertura de nuevos mercados. Por otra parte considerando que el promedio de consumo de agua purificada es de 0.51 lts por día y un consumo percápita de 2.6 lts por semana se iniciara con una capacidad del 73.58 % satisfaciendo la mayor demanda que la competencia tiene, e incrementando anualmente de acuerdo a la necesidad y al comportamiento que se tenga o se solicite. Se estima que para el año 2006 específicamente en el tercer mes, se tendrá un beneficio del 100 % a los trabajadores tanto académicos como administrativos; esto si la preferencia por el vital líquido sigue aumentando. Para entonces se repartirán cerca de 677 garrafones por semana en todas las oficinas departamentales, posteriormente esta demanda estará variando por algún evento u cambio drástico. Con lo referente a presentaciones menores de 500 ml se asegura una venta de 30 cajas a la semana e ir aumentando las ventas en las tiendas que se encuentran a la primera instancia del consumidor. La proyección de la Demanda para la Universidad Autónoma Chapingo se presenta con mayor detalle en la tabla 4.4 y 4.5. Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH. Año
2003 2004 2005 2006
Población (administrativos y académicos)
Consumo percápita (lt/semana)
3248 3573 3931 4014
10371.62 11408.78 12549.66 12863.40
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Continuación... 2007 2012
12863.40 12863.40 Fuente: Cálculo de Trabajo.
Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes. Año
500 ml 1000 ml 1500 ml 2000 (lts) (lts) (lts) (lts)
2003 2004 2005 2006 2007 2012
297.00 326.70 359.37 395.31 434.84 700.31
ml
Consumo Población total total de (lts/semana) alumnos 110 128.70 30.80 566.50 848 121.0 141.57 33.88 623.15 932 133.1 155.73 37.27 685.47 1026 146.4 171.30 40.99 754.00 1128 161.1 188.43 45.09 829.46 1241 259.4 303.47 72.62 1335.80 1999 Fuente: Cálculo de Trabajo.
IV.3.11 Estimación de la Oferta La oferta total de agua purificada a nivel nacional proviene de mas de 4 mil purificadoras de los cuales solo mil cien están bien establecidos y según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada en el año 2001 la inversión nacional en plantas productivas en el sector sumó 9 millones 700 mil dólares (Ramírez, 2002). Por otra parte en una investigación reciente en la Universidad se identificó que el agua purificada en garrafón proviene de tres empresas; el 88.16 % de la purificadora Tucus, el 11.33 % de Hidropura y tan solo el 0.5037 % de Electropura. De igual manera se observó que el tamaño más común en el mercado de agua purificada es el de 500 ml representando el 70 % del consumo total, el 12.985 % en presentaciones de 1000 ml, el 15.194 % en 1500 ml y tan solo el 1.81 % de 2000 ml. Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada el crecimiento es increíble ya que varios factores tales como: la preocupación por la salud, además de la apertura comercial y de su liberación del precio; alcanzó en el primer año el 3 % del mercado de los refrescos para el segundo subió al 10 %, para el año 2001 el mercado estuvo sobre los líquidos gasificados (Delta,2002).
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Como el mercado que se tendrá será la Universidad, las tiendas y algún restaurante cercano a dicha institución; la calidad y manejo del producto deberá ser estricto, así como poner en desventaja a la competencia para incrementar el mercado en presentaciones menores por lo menos un 50 % en el primer año de operación. Para lo cual se requerirán estrategias de publicidad. Actualmente se tiene un oferta Oligopólica donde destacan unos cuantos productores. Como se había mencionado anteriormente se iniciará con una venta por año de(ver tabla 4.6). Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH. Año 2002-03 2003-04 2004-05 2005-06 2006-07
Garrafones / semana 496.25 545.87 600.46 660.50 677.00
Es preciso aclarar que estos datos solo corresponden a lo que se consumirá en las oficinas, no incluyen las presentaciones menores. Los cuales se presentaron en proyección de la demanda. La manera en que la gran mayoría de los oferentes a nivel nacional utilizan para embotellar el agua destacan los siguientes (Lobato,1995): Tamaño 1: Botellas PET con un contenido de 330 ml. Tamaño 2: Botellas PET con un contenido de 500 ml. Tamaño 3: Botellas PET con un contenido de 1.0 lt. Tamaño 4: Botellas PET con un contenido de 1.5 lt. Tamaño 5: Botellas PET con un contenido de 2.0 lt. Tamaño 6: Botellas PET con un contenido de 3.785 lt. Tamaño 7: Garrafones de PC con un contenido de 19.00 l.
IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado El proceso empleado para la purificación del agua que tiene el mayor mercado en la Universidad consta de una filtración con lecho profundo el cual elimina arena; seguida por un filtro de carbón activado proceso donde se eliminan los olores y sabores
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desagradables que pudiera tener el agua, posteriormente pasa a otro sistema de membranas de ósmosis inversa donde se quitan las partículas finas que no pudieron ser eliminadas en los tratamientos previos y finalmente un proceso de radiación ultravioleta que se usa para desinfección o eliminación de microorganismos que pudieran dañar al organismo humano.
IV.3.13 Importancia del Precio El precio es una variable importante sin la cual no habría actividad comercial. Cuando este es flexible al comprador se fomenta la máxima eficiencia de la Economía. Por regla general la determinación de precios es un factor controlable. Salvo en raras excepciones, como el agua purificada el cual a partir 28 de mayo de 1991, fecha en la cual se liberó debido a la larga historia de control de precios, sin embargo existen precios y calidades muy diferentes. Dependiendo de su precio hay plantas purificadoras quienes venden el agua a un precio bajo, el cual variará en base al proceso de purificación empleado (Lobato,1995) Pero todas determinan y aprueban el precio cuando está por encima del extremo inferior de la escala de la utilidad por lo general producirá ingresos, que excedan los costos al igual que un precio esté ligeramente debajo del extremo superior de la escala. De manera más concreta se calculan los costos totales en los diversos niveles de producción se calcula el porcentaje de capacidad como va a funcionar en el periodo siguiente y por último estimar un rendimiento meta. En conclusión el precio de venta lo impone el equilibrio de la oferta y la demanda (Acosta, 2000). De acuerdo a al estudio realizado se encontró una gran variación de precios del agua de garrafón el cual se presentan a continuación ver tabla 4.7. Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales. Comparativo de Precios de Agua purificada Marca Presentación Precio Tucus 19 lt $ 12.0 Tucus 1.5 lt $ 6.0 Hidropura 19 lt $ 12.25 Ciel 1.5 lt $ 6.00 Ciel 0.5 lt $ 3.00 PuriAgua 19 lt $18 PuriAgua (vidrio) 19 lt $18 Electropura 19 lt $ 20.5 media
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Continuación. Bonafont Pureza Aga
1 lt 19 lt
$ 5.0 $ 18
En base a lo anterior y a un monitoreo en los puntos estratégicos de venta del producto se vio que existe una gran variación de precios donde se determinó que la media del precio del agua de garrafón de 19 litros es de $16.45.
IV.3.14 Comercialización La comercialización se ocupa básicamente de las relaciones entre productos y mercados, y de las consecuentes transferencias de propiedad. Teniendo como primer partícipe al productor el cual es el que vende en la primera de la serie de transacciones de comercialización que ocurren conforme se desplace hacia el mercado. En segundo lugar está el intermediario que son empresas o negocios de terceros el cual tiene como actividad primordial la transferencia directa o indirecta de la propiedad de productos al fluir éstos de sus productores a hasta los compradores. Los productores consideran a los intermediarios como prolongaciones de sus propias organizaciones pues de no existir sus propias organizaciones comerciales tendrían que encargarse de llevar a cabo todas las negociaciones de las ventas a los compradores últimos. Los benéficios que los intermediarios aportan a la sociedad son (Acosta, 2000) : Asignar a los productores el sitio y un momento oportuno para consumirlos. Distribuyen grandes volúmenes en zonas alejadas. Asumen los riesgos de transportación acercando el mercado a cualquier consumidor. Conoce los gustos de este y pide al primero la presentación que se debe elaborar y el artículo que se debe elaborar. Es el que sostiene a la empresa, pues compra grandes volúmenes. Promueve créditos a los consumidores, asumiendo la responsabilidad en el cobro. Los beneficios que los productores aportan a la sociedad son: El precio de los productos son más accesibles al consumidor. El producto llega más oportunamente.
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Por otra parte los canales de comercialización son una vinculación o cadena institucional a través de la cual los productos de los fabricantes fluyan al mercado, uno de los problemas que más se enfrenta el fabricante es que se tiene que ajustar a las necesidades y expectativas de los compradores en cada nivel de distribución. Por lo general las grandes empresa de agua purificada en México utilizan canales de comercialización ya establecidos por las grandes refresqueras, entregando su producto a mercados, misceláneas, para presentaciones pequeñas y una distribución a domicilio para presentaciones en garrafón.
IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto La comercialización de un producto nuevo en el mercado tiene bajo nivel de aceptación por lo que se requiere una estrategia de publicidad capaz de llegar a los consumidores y convencerlos de probar el producto y de esa manera probar su calidad. Antes de comprar las partes que integrarán el tren de tratamiento terciario se pretende llegar a un acuerdo con los directores de cada departamento y de esa manera se haga llegar a la Coordinación Administrativa que la Universidad purificará su propia agua que consume, la cual estará cumpliendo con los estándares que establece la NOM-041, IBWA y la Secretaria de Salud. Como etapa final certificarla o bien ser miembro de la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada para su mayor confiabilidad y expansión en un futuro. Para este proyecto el canal de comercialización será productor-consumidor, siendo esta la vía mas corta, simple y rápida por tener un mercado limitado y selecto además de ser el mas económico para el productor y consumidor. Para ello se establecerán tiendas ubicadas en puntos estratégicos para vender en presentaciones menores y en garrafón. En el caso del abasto a las oficinas se realizará de manera directa con la ayuda de una camioneta de una tonelada. Dentro de la comercialización, la identificación de la marca es importante para resaltar ante él publico que el producto proviene de un proceso de purificación con la más alta tecnología y dar a conocer los beneficios que obtendrán al comprar el producto.
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IV.3.16 Parámetros de Competitividad La maquinaria seleccionada sera de la más alta tecnología lo que permitirá obtener un producto de alta calidad. Los métodos empleados en el proceso de purificación se regirán con las normas nacionales e internacionales las cuales son estrictas en el control sanitario. Cualquier queja sobre el producto recibirá una atención adecuada o un reembolso. Una capacitación al repartidor para ofrecer un buen trato al consumidor. Las tiendas dispondrán de refrigeradores para mantener el producto en condición agradable al consumidor.
IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el Mercado Para este producto es necesario alguna promoción que informe a los consumidores sobre la calidad y precio del agua y de esa manera influir en la decisión de compra. Para presentaciones menores se propone la atracción de clientes de la competencia mediante: Obsequio del producto durante determinado tiempo. Intensificación promocional: Repartición de boletines con la información de la calidad del agua acompañada de una muestra. Realizar sorteos cada dos meses de aparatos que le son indispensables a los estudiantes durante su estancia en la Universidad.
IV.3.18 Justificación del Proyecto La razón para hacer que se justifique este proyecto es que se tiene una desconfianza del proceso que recibe el agua purificada que se consume en las oficinas de la Universidad; para entonces la persona que tenga alguna inquietud la podrá aclarar con una visita a la planta y comprobar su teoría. Otra razón de esta planta es de producir un agua de mejor calidad de la que se dispone hasta ahora. Además de que generaría ingresos para la Universidad.
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IV.4 Tamaño de la Planta Para determinar el tamaño de la planta es indispensable tomar en cuenta varios factores que intervienen en el proceso de purificación los cuales se muestran a continuación:
La demanda. Los suministros e insumos. La tecnología y los equipos. El financiamiento y la organización.
Uno de los factores más importantes para determinar el tamaño de la planta es la demanda; y de acuerdo al estudio de mercado que se detalla en él apartado 4.2, la planta iniciara con una producción del 73.58 % anualmente, de agua purificada en presentación de 19 litros (garrafónes) e incrementara hasta tener una producción del 100 % y una vida de 10 años a partir del año uno. La relación entre el tamaño y tecnología influyen, ya que de ello depende qué tan elevados sean los costos de producción. Respecto a los recursos financieros estos deben ser suficientes para atender a las necesidades de la inversión del tamaño óptimo de la planta y de esa manera no correr el riesgo de un bajo de capital y/o elevados costos que genere el tamaño.
IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros Para el primer año está proyectado iniciar con 600 garrafones por semana de agua purificada teniendo una producción estimada que se muestra en la tabla 4.8. Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año. Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio
Días / Garrafones semanas / mes 14/2.8 1,682.45 19/3.8 2,283.33 14/2.8 1,682.45 22/4.4 2,643.85 20/4 2,403.50 9/1.8 1,081.58
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Continuación... Julio 8/1.6 961.40 Agosto 22/4.4 2,643.85 Septiembre 19/3.8 2,283.33 Octubre 23/4.6 2,764.03 Noviembre 19/3.8 2,283.33 Diciembre 9/1.8 1,081.58 Total / anual: 198/39.6 23,794.65 Fuente: Cálculo de proyecto.
Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada (2001) a nivel nacional hay un crecimiento promedio del 10 % anual que cambia a este vital líquido de tal manera que se tendrá la siguiente producción en los años de vida de la planta (ver tabla 4.9).
Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10. Periodo
Año 2
Año 3
Año 4...
...10 año
Garrafones / Garrafones / Garrafones / Garrafones / mes mes mes mes Enero 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66 Febrero 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68 Marzo 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66 Abril 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89 Mayo 2,621.85 2,862.04 2,928.09 2,928.09 Junio 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64 Julio 1,048.74 1,144.81 1,171.23 1,171.23 Agosto 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89 Septiembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68 Octubre 3,015.13 3,291.34 3,367.30 3,367.30 Noviembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68 Diciembre 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64 Total / anual: 25,956.32 28,334.15 28,988.05 28,988.05 3 m /anual 493.17 538.35 550.77 550.77 Fuente: Cálculo de trabajo. Nota: la producción es constate a partir del año 4 al 10 .
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IV.4.2 Presentaciones de 500 ml La producción de agua que se muestra en la tabla 4.10 corresponde a las posibles demandas de agua que se tendrán a lo largo del año y vida de la planta, cabe hacer mención que dentro de esta producción incluyen las 30 cajas que la Universidad se abastece actualmente y el resto corresponde a la abertura que se tendrá dentro del mercado del agua purificada. Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml. Botellas de 500 ml Años Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total /anual: 3
m /anual
2003
2004
2005
2006
año 1
año 2
año 3
año 4
semanas / mes
cajas/ mes
2.8 3.8 2.8 4.4 4 1.8 1.6 4.4 3.8 4.6 3.8 1.8
153.30 208.05 153.30 240.90 219.00 98.55 87.60 240.90 208.05 251.85 208.05 98.55
39.6
2007..... ......2012 año 5
año 10
cajas/ cajas/ cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes mes mes 160.23 217.46 160.23 251.79 228.90 103.01 91.56 251.79 217.46 263.24 217.46 103.01
167.85 227.80 167.85 263.77 239.79 107.91 95.92 263.77 227.80 275.76 227.80 107.91
2,168.10 2,266.11 2,373.92 26.02 27.19 28.49 Fuente: Cálculo de trabajo
176.24 239.18 176.24 276.95 251.77 113.30 100.71 276.95 239.18 289.53 239.18 113.30 2,492.51 29.91
185.46 251.70 185.46 291.44 264.95 119.23 105.98 291.44 251.70 304.69 251.70 119.23
185.46 251.70 185.46 291.44 264.95 119.23 105.98 291.44 251.70 304.69 251.70 119.23
2,622.96 2,622.96 31.48
31.48
IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml Se pretende introducir esta presentación ya que es la segunda de 500 ml que tiene mayor preferencia del consumidor. Además lo más importante en la venta del agua de esta calidad es ofrecer la cantidad que el mercado más demande.
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Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml.
Botellas de 1500 ml
Mes
semanas/mes Enero 2.80 Febrero 3.80 Marzo 2.80 Abril 4.40 Mayo 4.00 Junio 1.80 Julio 1.60 Agosto 4.40 Septiembre 3.80 Octubre 4.60 Noviembre 3.80 Diciembre 1.80 Total /anual: 39.60 3 m /anual
2003
2004
2005
2006
2007
año 1
año 2
año 3
año 4
5..10 año
cajas/ mes
cajas/ mes
cajas/ mes
cajas/ mes
cajas/ mes
30.03 40.76 30.03 47.19 42.90 19.31 17.16 47.19 40.76 49.34 40.76 19.31 424.71 7.64
33.03 44.83 33.03 51.91 47.19 21.24 18.88 51.91 44.83 54.27 44.83 21.24 467.18 8.41
36.34 49.31 36.34 57.10 51.91 23.36 20.76 57.10 49.31 59.70 49.31 23.36 513.90 9.25
39.97 54.24 39.97 62.81 57.10 25.69 22.84 62.81 54.24 65.66 54.24 25.69 565.29 10.18
43.97 59.67 43.97 69.09 62.81 28.26 25.12 69.09 59.67 72.23 59.67 28.26 621.82 11.19
Cabe aclarar que no se producirá en presentaciones de 1 y 2 litros ya que los estudios de mercado indican que es baja la preferencia en estas cantidades. Finalmente en la tabla 4.12 se muestra una estimación de la cantidad de agua purificada que se venderá anualmente; Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado. Año 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3
m /anual 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44 593.44 593.44 593.44 593.44
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En caso que la producción real fuera superior, se seleccionarán los equipos que tengan facilidades para aumentar tal demanda, sin poner en riesgo a todo el sistema.
IV.4.4 Localización de la Planta Algunos de los factores más importantes que se deben considerar para la localización de la planta son: la disponibilidad de materiales, disponibilidad de infraestructura, conveniencia del terreno y del clima, espacios para ampliación, accesibilidad al mercado, entre otros que por la ubicación de la planta ya son cubiertos por la Universidad (disponibilidad de mano de obra, seguridad).
IV.4.5 Microlocalización Los factores que se deben tomar en cuenta en esta parte son: la accesibilidad al mercado y materias primas, disponibilidad de costos de transporte, facilidades locales, servicios públicos, extensión y costo del terreno, impacto socioeconómico, e impacto a la comunidad (Acosta, 2000). Tomando en cuenta los factores anteriores y la fuente de la materia prima, se propone que las instalaciones y proceso de producción se realicen a un costado del pozo que esta al norte de la entrada principal de la Universidad.
IV.5 Ingeniería Básica del Proceso de Purificación de Agua El objetivo de la Ingeniería es elegir el proceso adecuado para la instalación de una planta de agua purificada, basándose en los análisis de la fuente de abastecimiento. De acuerdo a los análisis realizado al agua proveniente de los pozos pertenecientes al patronato de la Universidad, se tiene un líquido, que reúne las características para ser consumida como agua potable, además que su calidad esta dentro de los estándares que establece la NOM-041 para purificarla. Por lo que se requiere un mínimo tratamiento para competir con las marcas que están en el mercado y que abastecen a tal institución.
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IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología Disponible Datos del Análisis de Agua Dureza: ........... 135.954 ppm Cloruros: ......... 14.2 ppm K: .................... 6.6 ppm
Alcalinidad: .............................202.66 ppm Na+: .........................................65.1 ppm Coliformes Fecales y Totales: .ND
STD: ............... 356 ppm
Sulfatos:. ..………………………23.22 ppm
Fe: .................. 0.03 ppm Mn: .................. ND Cd: ................... 0.01 ppm
Zn:………………………………..0.05 ppm Pb:………………………………..0.02 ppm Cr:………………………………...0.01 ppm
El agua purificada marca bonafont tiene las siguientes características: Sulfatos: 4.8 ppm SDT: CE*640 =169.6 ppm
CE: 0.265 mmho / cm o dS / m PH: 6.03.
Na+: 7.4mg/l
Como la fuente de abastecimiento son aguas subterráneas, la turbidez tiene valores inferiores a 1 ppm con una transparencia de hasta 5 metros de profundidad; sin embargo tal valor puede ser superior si los tanques elevados que se usan para proporcionar presión y almacenamiento no reciben una limpieza periódicamente. Lo que nos conlleva a utilizar un filtro de lecho profundo y de esa manera garantizar que en el sistema, no pasaran sustancias o sólidos mayores que puedan ocasionar un taponamiento o acumulación de estos en los procesos posteriores lo que reduciría la eficiencia del sistema y calidad del producto. El olor y sabor no son detectables ya que los cloruros y sulfatos que son los responsables de transmitir un sabor salado y amargo respectivamente hacen su presencia en concentraciones de 300 ppm de Cl- y 500 ppm de SO4-. Es claro que no solo estos parámetros son los causantes de los olores y sabores por lo que pueden existir una infinidad, y al no saber cuales pudieran surgir con el uso de pesticidas, herbicidas, metilato de mercurio e hidrocarburos clorinados, que se aplicaron hace más de 10 años, en los campos agrícolas es necesario prevenir este problema con la instalación de una filtro de carbón activado y así el agua conserve su propiedad inodora e insípida.
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La conductividad del agua refleja la concentración de los iones de las impurezas, en este caso el valor es de 0.427 mmho/cm o dS/m, y si lo multiplicamos por 640 nos da 273.28 mg/l que corresponden a una aproximación de STD, y al estar dentro del rango que establece la NOM-041 se considera aceptable para tal proceso. La concentración real de STD es de 356 mg/l, y la que establece la NOM-041 es 500 mg/l, por tal el agua solo necesita unos retoques, sin embargo la variada concentración de iones limita optar por un intercambiador ya que solo removería los iones que causan la dureza, mientras que los restantes actuarían. Sin embargo para no saturar las membranas de osmosis inversa y aumentar su eficiencia, se opta por utilizar un intercambiador. El proceso que cumple con ambas funciones de reducir los iones que causan la dureza y los STD es la ósmosis inversa con una eficiencia de rechazo arriba del 90 %. Según Gonzáles (2001), indica que un agua que tiene un total de sólidos disueltos de 200 o más, la ósmosis inversa es menos costosa que el intercambio de iones y que los sólidos disueltos son menores que 200, es preferible el intercambio de iones para remover los microorganismos. Es importante la reducción de los sólidos disueltos pues pueden afectar adversamente la calidad, además que para el consumo humano, con un alto contenido de sólidos disueltos, son por lo general da mal agrado para el paladar y pueden inducir una reacción fisiológica adversa en el consumidor. Respecto a los parámetros de dureza según Romero (1999) el agua se considera moderadamente dura, por su parte INSTAPURA y su larga experiencia en el mercado de agua purificada un valor con 135.954 mg/l es un agua dura y requiere de un tratamiento como intercambio iónico y ósmosis Inversa para disminuir los iones que causan este problema. Ha de considerarse que la dureza no afecta al organismo humano y solo es importante cuando el agua se usará junto con un detergente y en la preparación de alimentos lo cual aumenta el gasto por combustible. Es sabido que el agua es la principal fuente de vida de los seres vivos, pero en esta cuestión debemos eliminar toda vida que pudiera ocasionar y transmitir enfermedades para ello es indispensable utilizar un germicida que anule la proliferación de bacterias, gérmenes, virus, algas y esporas que en algún momento se llegaran a presentar.
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Finalmente como el ozono actúa sobre el agua eliminando por oxidación todos los elementos nocivos para la salud como son virus, bacterias, hongos, además de eliminar metales, los cuales pueden ser filtrados y eliminados del agua (AQUASYSTEM, 2000). Se optará por inyectar una cierta cantidad de ozono en el agua que ya pasó por la UV y que esta lista para ser consumida sin algún riesgo de salud. La razón de aplicar ozono, es su capacidad para conservar y desodorizar.
IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua El proceso inicia con una recolección del agua cruda en un tanque de almacenamiento, con una capacidad de 5000 litros, este almacenamiento puede ser de la marca Rotoplas o Rotomex. El suministro de agua está regulado por un flotador.
Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda.
El suministro de agua está conformado por una bomba centrífuga multipaso de 1 HP la cual alimenta la presión y caudal necesario al sistema de filtros de lecho profundo y carbón activado para así llegar a un nuevo tanque de almacenamiento con una capacidad de 5000 litros. Filtro Multicama o de lecho profundo. Generalmente los filtros multicama, llevan de cuatro a cinco capas de material filtrante de diferente densidad y granulometría que van reteniendo las partículas selectivamente de acuerdo a su tamaño (mayores de 15 micras), logrando así quitar la turbidez del agua. Su operación consiste, mediante la presión suministrada de la bomba el agua sin filtrar entra a la válvula y fluye en dirección de arriba hacia abajo por el interior del tanque a través del material filtrante para después subir, ya filtrada, por el tubo central y salir del equipo.
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Figura 4.2 Filtros de lecho profundo.
El retrolavado se realiza con agua cruda la cual entra de arriba hacia abajo y fluye por el tubo central para ir al fondo del tanque, pasar a través del distribuidor y fluir hacia arriba para aflojar y lavar la cama del material filtrante enviándose al drenaje la suciedad retenida por el filtro. Se recomienda por el fabricante que se revise la claridad del agua en el drenaje para determinar el tiempo de retrolavado, es posible que si el agua esta muy sucia se requiera de un mayor tiempo de retrolavado, hasta que salga transparente en la línea de drenaje. El retrolavado se debe realiza dependiendo de la calidad del agua a tratar, lo ideal es realizarlo cuando menos cada 4 a 7dias o bien al finalizar el día de trabajo.
En el momento de la Instalación se recomienda, poner una válvula check para evitar retorno de agua o contrapresión. Así como una válvula para derivación o ―by-pass‖. Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado.
Filtro de Carbón Activado. Se utiliza un filtro. Estos están diseñados para la filtración de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica que es la causante del olor, color o sabor en el agua. También ayudan a retener: acidez, alcalinidad e hidrocarburos. Además se utilizan para reducir efectivamente el sabor u olor que produce el cloro en el agua.
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El carbón tiene una vida de dos a tres meses pero por seguridad se recomienda que se cambie cada dos meses y medio.
Figura 4.4 Filtro de carbón activado.
La válvula del carbón es automática y solo requiere al igual que la del filtro de lecho profundo una programación de las horas de retrolavado y generalmente es a las dos horas, aunque esto dependerá de la calidad del agua que se esta tratando. Intercambio Iónico.
Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial.
Se utiliza un filtro y están diseñados para el cambio de las sales de calcio y magnesio por sales de sodio que son solubles. El suavizador, además de bajar la dureza del agua, reduce otras impurezas como son el hierro, magnesio, sílice y otros metales. Normalmente se emplea una resina cationica base fuerte ciclo sodio y se regenera con sal industrial (NaCl). Según Instapura (2002) los suavizadores disminuyen hasta un 30% la dureza del agua a ser tratada, en algunos casos se usan para obtener una agua dentro de la dureza que
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establece la NOM-041 y/o cuando la dureza es muy alta como un proceso previo y dar una mayor vida a las membranas del equipo de ósmosis inversa. Las válvulas de estos sistemas son automáticas para la regeneración en nuestro caso será necesario regenerarla cada tercer día. Con lo que respecta a la instalación se recomienda poner válvulas como las indicadas en los filtros de lecho profundo. Osmosis Inversa. Esta tiene como función la reducción de SDT y eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos.
Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa.
Su operación consiste en: El agua almacenado en el tanque es dirigida a la unidad mediante la presión que genera la bomba de 1 HP, entonces el agua pasa al prefiltro de 5 micras, para eliminar los sedimentos que pudieron desprenderse del carbón activado, posteriormente se dirige al medidor de STD (1 a 999 ppm) donde la producción esta basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de STD. Una vez entrada el agua en la membrana se produce un agua permeada con una concentración de alrededor del 10 % de SDT. El resto se rechazara con altas concentraciones de sales, enviándose al drenaje. Lámpara de Rayos Ultravioleta. Tienen como función la destrucción del 99.9 % de las bacterias, virus y gérmenes que se pudieran presentar en el agua. La dosis promedio de operación que la mayoría de los fabricantes venden es de 30,000 µws/cm 2. La vida media de las lámparas es de 8000 horas de operación, por lo que se recomienda cambiarlas cada 10 meses.
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Generalmente deben permanecer encendidas las 24 horas, de lo contrario cada apagada reduce su vida 8 horas.
Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial).
Para que el sistema opere eficientemente se requiere que el agua esté libre de sustancias en suspensión o disolución. En otras palabras el equipo purificador UV no debe operar solo a menos de que la calidad del agua lo permita, por estar dentro de los siguientes niveles (ver tabla 4.13). Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV. Parámetro Turbidez Hierro Ácido Sulfhídrico Sólidos suspendidos
Unidad < 5 NTU < 0.3 ppm < 0.05 ppm < 10 ppm
Parámetro pH Manganeso Dureza Color
Unidad 6.5 a 9.5 < 0.05 ppm < 120 ppm ninguno
Fuente: Instapura
Con los niveles que se piden para este sistema sé justificá el uso de la ósmosis inversa y de la filtración, este último con un grado nominal de por lo menos de 10 micras. Con lo referente a las operaciones de mantenimiento se sugiere inspeccionar visualmente el tubo de cuarzo a los 30 y 90 días después de la instalación para determinar la frecuencia de limpieza. Generalmente todos los equipos constan de una vara que desde el exterior se jala para limpiar la camisa de cuarzo y desprenderle las láminas que los minerales generan en su paso. En el caso que se requiera remover la camisa para su limpieza se deberá remojar en agua jabonosa o en una solución conteniendo vinagre o amoniaco. Algo importante de protección del sistema es la Instalación de válvulas de cierre antes y después del equipo de purificación que impidan el paso del agua al equipo purificador a
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fin de poder efectuar el cambio de lámpara o del tubo de cuarzo. También puede instalarse una válvula de paso ―bypass‖. Tanque o cisterna de almacenamiento. Aquí se almacena el agua tratada además de tener las reservas necesarias para alimentar el equipo de llenado de garrafones el almacenaje puede ser de tipo Rotoplas, con una capacidad de 5000 litros.
Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada.
Equipo generador de ozono. La función es burbujear ozono al tanque de almacenamiento de agua tratada y preservar la calidad bacteriológica del agua y mayor vida de anaquel.
Figura 4.9 Sistema generador de ozono.
La aplicación del ozono en un proceso dado, debe tener un tiempo de contacto, debido a que su acción está en función del tiempo de vida media del ozono. Para la generación de ozono se puede usar aire seco u oxígeno.
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Según la aplicación se enlistan las dosis de ozono y tiempos de contacto (Econex, 2001): Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones. Aplicación Mg/l O3 Condensadores evaporadores y torres de enfriamiento 0.2-0.6 Tratamiento de agua potable: Desinfección 1.5-3.0 Precursores de trihalometanos 1.5-3.0 Olor y sabor 1.0-5.0 Color y COD 3.0-10.0 Turbidez y microfloculación 1.0-3.0 Fierro y manganeso 1.0-8.0 Agua embotellada 2.0-3.0 Agua residual 5.0-20.0 Fuente: Econex.
Tiempo de Contacto Contínuo 5-10 minutos 5-10 minutos 5-10 minutos 5-10 minutos 5-10 minutos 5-10 minutos 15-30 minutos
Cálculo para convertir mg/l de ozono a libras por día es: Flujo en galones por minuto X dosis en mg/L X 0.012 0 libras por día de ozono = (1.8494 gpm X 1 mg/l O3 X 0.012 = 0.0221928. Ibs/dia O3. De tal manera que el ozono residual se debe mantener en 0.3 ppm para no producir compuestos. De manera general cuando se requiere purificar agua por este excelente método, un gramo corresponde a poder tratar entre 25 a 50 metros cúbicos, si se utiliza a travéz de inyectarlo por un venturi (colibrí,2002). Filtro de cartucho el cual se usa como pulidor y ya viene integrado a la llenadora y lavadora. Lavadora de garrafones de agua de 19/20 litros.
Figura 4.10.a Lavadora de garrafones.
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El proceso inicia con la selección de los garrafones más sucios, el cual el proceso es manual y posteriormente se lleva a la lavadora con detergentes especiales y soluciones especiales, además que el agua utilizada es la que ha sido purificada y ozonizada.
Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3.
Respecto a los garrafones que estén fuertemente sucios recibirán otro proceso más especial para retirar las impurezas. Llenadora para garrafones de agua de 19/20 litros. Una vez realizada la desinfección del garrafón, este es enviado a la maquina de llenado. Realizado de manera manual.
Fig.4.11.a
Fig.4.11.b
Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible.
Desinfección del tapón. Todas las tapas son desinfectadas antes de ser colocadas en el garrafón, la operación es realizada en forma manual, en la cual el personal debe seguir las normas de higiene con lo que se minimiza el riesgo de contaminación. Tal desinfección se realiza con agua ozonizada.
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Taponado del garrafón. La operación es realizada en forma manual, donde el tapón es depositado en el orificio del garrafón y presionado manualmente para el tapado de este. Colocación del sello de garantía. El sello es colocado en forma manual antes de ser fijado con la pistola térmica, y al momento de pasar el garrafón con su sello se contrae y finalmente sea puesto en unidades para su distribución.
IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería Para el cálculo tomaremos como base la tabla de Crane Technical Paper citada por Martínez, (1995): Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías. Condición Velocidad (m/s) Alimentación en Calderas 2.4 - 4.5 Succión de bombas 1.2 – 2.1 Tuberías de drenaje 1.2 – 2.1 Servicio General 1.2 – 3.0 Servicios municipales 2.1 Tomando como base para este proyecto una condición general. El gasto volumétrico es 420 l/h, esto si la membrana de ósmosis inversa tuviera una recuperación del 100 %, como el modelo seleccionado puede desperdiciar del 50 al 33 %, el flujo a tratar hasta el intercambio iónico debe ser el doble; es decir, el Gasto de masa es de 840 kg/h (233.3 g/s). De esa manera el agua que no se aproveche se reingresará a la red. Tomando los datos anteriores para la selección de la tubería y equipo que suministrará la presión al sistema, nos enfrentamos a modelos que existen en mercado, pero no trabajan a las condiciones que se desean. En esas cuestiones los diseños se deben adoptar a los modelos que hay en el mercado. Por ello el gasto volumétrico será de
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1200 l/h (20lpm); y los sistemas de filtración, carbón activado e intercambio iónico solo operarán 5.6 horas diarias. Como la Ecuación del Gasto para tuberías es: Q = AV =
D 2 4
(4.1)
*V
Donde: Q = gasto en m3/s, en este caso g/s A = área de la tubería en m2 o cm2. V = velocidad del flujo en m/s o cm/s.
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Figura 4.12. Esquema de bombeo.
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Suponemos un diámetro interno de tubo de acero C 10 D in = 1.58 cm = 0.0158 m sustituyendo en la ecuación siguiente: Velocidad
V
Gasto de Masa Secc.tubo X liq .
333.33 g / s 170.09cm / s 0.785(1.58cm) 2 *1g / cm 3 )
V = 1.7 m/s = 5.58 ft/s. Como la velocidad obtenida es mayor que 1.2 m/s y menor de 3 m/s se acepta el diámetro seleccionado 1/2 ― en tubo de acero cédula 40.
IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba La bomba uno trabaja tomando el agua del tinaco de almacenamiento y la envía a los primeros procesos de tratamiento (lecho profundo- carbón activado- Intercambio iónico). Para la selección de la potencia de la bomba es necesario calcular la columna o carga total de bombeo, la cual es la suma de todas las causas que generan pérdidas más la carga de velocidad en el punto de descarga, pero además se deben considerar las presiones diferentes a la atmosférica, teniendo la siguiente ecuación: H = het + hfd + hvd +hfs + (hpd – hps)
(4.2)
Donde: H = Carga total.- Suma de las cargas que se tienen en el sistema cuando trabaja la bomba a determinada capacidad. het = carga estática total.- En general, la columna estática total de una bomba es la diferencia de la elevación de descarga y la elevación del nivel del agua en la succión. hfd = Pérdida de carga en la descarga.- incluye todas las pérdidas de carga que se tiene a partir de la boquilla de la bomba y en la tubería de descarga.
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hvd = Carga de velocidad en la descarga. hfs = Pédidas de carga en la descarga. Es la que se necesita para vencer todas las pérdidas de carga debidas al flujo en la tubería de succión. hpd =Carga de presión en la descarga. hps= Carga de presión en la succión.
IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión Datos: Altura Z1 que es la condición de trabajo en que la bomba va a realizar el mayor esfuerzo. Z1 =25 cm. Altura Z2 es la máxima altura a la cual la bomba debe enviar el agua. Z2 = 1.95 cm. La Presión Atmosférica se determina en base a la altitud del lugar que es de 2240 m, posteriormente se entra a una gráfica (Sotelo,1980) donde se obtiene pa/po =0.76 y con un po = 10333 kg / m2, la presión atmosférica resulta solo despejando a pa. Presión Atmosférica = 0.76 x 10333 kg/m2 = 0.786 kg/cm2. En este caso la presion atmosferica inicial es la misma en la descarga por lo que se anulan. Presión P1 que es la ejercida por el agua. P1= (25 cm x 1 g/cm3) = 25 g/cm2. Presión P2 es la requerida en el tanque de filtro de lecho profundo para que el intercambiador funcione con una presión mínina de 2.1 kg/cm 2.
IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds Re
VD
(4.3)
Donde V es la velocidad media, D el diámetro del conducto y v la viscosidad cinemática del fluido, para este caso consideramos una temperatura del agua de 37 °C (mes mas caliente) para lo cual v =0.0068 cm2/s (Sotelo, 1980). Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.3. para obtener el número de Reynolds.
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Re
170.0 cm / s *1.58cm 39522.30 0.0068cm 2 / seg
El coeficiente de fricción f para el tubo de acero usado D 1/2‖ C 10 en función del Numero de Reynolds es de 0.034 (Gómez, 1981).
IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión Según la figura 4.12 para la succión requerimos de una válvula de compuerta, la cual es importante para realizar algún mantenimiento de la motobomba. Longitudes equivalentes por accesorios: #
Accesorios
K Le = KD
1
Válvula de compuerta 13 20.54
Para las pérdidas de carga por ampliación se usa la fórmula de Borda-Carnot, la cual se cita a continuación.
K Ca
A2 1 A1
2
(4.4)
Donde Ca depende del ángulo del difusor. En caso de que la ampliación sea brusca se usa la misma fórmula con Ca=1, posteriormente la pérdida de carga se obtiene sustituyendo el valor de K en la Ecuación siguiente:
hf k
V2 2g
(4.5)
Donde k es la constante obtenida con la ecuación 4.4; V es la velocidad media m/s; y g la gravedad 9.81 m/s2. La pérdida de carga por accesorios se obtiene de la siguiente manera: Longitud total = longitud física + longitud efectiva = 2.0 + 0.2054 m = 2.20m. Sustituyendo este valor en la ecuación de Darcy –Weisbach para obtener las pérdidas de carga por succión.
hf s f
Lt v 2 Ds 2 g
(4.6)
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Donde f es el coeficiente de fricción sin dimensiones; g es la aceleración de la gravedad, en m/s2; L la longitud del tubo, en m; D es el diámetro, en m; V es la velocidad media, en m/s y hfs son las pérdidas por fricción.
2.2 m (1.7 m / s) 2 hf s 0.034 0.88 m 1.58 X 10 2 m 19.62 m / s 2 Entonces la perdida de carga total por succión hfs = 0.88 m
IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga Longitud total de la Tubería = 335 cm. Accesorios Válvulas de globo Válvula de retención Válvula de compuerta Codos de 90° T
K 405 50 13 30 20
Para el cálculo de estas pérdidas es necesario empezar del intercambiador hasta la bomba y de esa manera asegurar que el primer filtro está dentro de su presión de trabajo. El intercambiador funciona con una operación de trabajo mínima de 2.1 kg/cm 2 y una caída de presión de 0.9 kg/cm2. Del filtro de carbón activado al intercambiador tenemos los siguientes accesorios: # Accesorios
Le = KD (cm)
1 Válvulas de globo 639.9 Longitud total = Long. Física + Le = 40 cm + 639.9 cm = 679.9 cm. El valor anterior se sustituye en la Ecuación 4.5.
hf d CA IO 0.034
6.799 m (1.70 m / s) 2 2.7196 m 1.58 X 10 2 m 19.62 m / s 2
Las pérdidas por reducción (3/4 a 1/2‖) a la salida del filtro del carbón activado se calculan con la ayuda de una gráfica en la que se divide el diámetro más pequeño (D2)
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por el más grande (D1), con el valor obtenido se entra a tal gráfica para tener el Kr y sustituirlo en la ecuación 4.5.
V2 (1.70 m / s) 2 hreduccion k 0.22 * 0.032 m 2g 19.62m / s 2 Por su parte las pérdidas de carga por ampliación (1/2 a ¾‖)el valor de K se calcula con la Ec. 4.4 posteriormente se sustituye en la Ec. 4.5.
K Ca
2.09 2 1 1.58 2
2 0.56
V2 (1.70 m / s) 2 hampliacion k 0.56 * 0.083 m 2g 19.62m / s 2 Entonces las pérdidas totales en este tramo resultan de la suma de ambas. Hfdt ca-io = hfd CA-IO +h reducciones + h ampliaciones =2.71 m + 0.032 + 0.083 m = 2.83 m. Por tanto el filtro de CA debe tener una operación de entrada capaz de proporcionarle al IO la presión mínima de operación. Datos: P = 0.4 kg/cm2 = 4.0 m (Caída de presión del CA). Pmínima. CA = 2.1 kg/cm2 = 21 m (presión de operación mínima del CA). Hfdt ca-io= 2.83 m = 0.283 kg/cm2 Pt = 0.4 kg/cm2 + 2.1 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 = 2.783 kg / cm2 (presión total a la entrada del filtro de CA). El siguiente paso es comprobar si el filtro de lecho profundo estará dentro de su rango de óperación a la que fue fabricado. En este caso las pérdidas por accesorios y demás resultan ser iguales a los cálculos anteriores, para lo cual solo se requiere hacer una suma de los datos de operación del filtro. Hfdt Filtro-CA = 2.83 m = 0.283 kg/cm2 El filtro de lecho profundo tiene una presión mínima de trabajo de 2.1 kg/cm 2 y una caída de presión de 0.9 kg/cm2. Pt = 0.9 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 + 2.783 kg/cm2 = 3.967 kg/cm2. Como su rango de trabajo normal es de 2.1 a 5 kg/cm 2 y como máximo 7 kg/cm2,el filtro estará trabajando sin algún riesgo al sistema.
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El siguiente paso es calcular las pérdidas de carga de la bomba a la entrada del filtro de lecho profundo. # Accesorios
Le = KD (cm)
2 Válvulas de globo
1279.8
1 T
31.6
1 Codo de 90 °
47.4
1 Válvula de retención
79
1 Válvula compuerta
de 20.54
Longitud total = 130 cm +1458.34 = 1588.34 cm = 15.8834 m, sustituyendo este valor en la ecuación Darcy –Weisbach.
hf s 0.034
15.88 m (1.70 m / s) 2 6.35 m 1.58 X 10 2 m 19.62 m / s 2
Para las pérdidas de carga por ampliaciones es el mismo resultado que en pasos anteriores. hampliaciones 0.083 m
Por tanto la pérdida de carga de la bomba al filtro de lecho profundo resulta: Hfd bomba-filtro = 6.35m + 0.083 m = 6.43m Resultados: Pérdidas de carga
m
hfd
6.43
hfs
0.88
Finalmente como ya conocemos las presiones de entrada y de salida, se procede a calcular la carga total con la ecuación siguiente. H = het + hfd +hfs + hvd + (hpd – hps) H = 1.95 m +6.43 m + 0.88 m + 0.14 m + (39.67 m – 0.25 m)= 48.82 49 m A esta carga dinámica total le agregaremos un 10 % de factor de seguridad al sistema por tanto tendremos 53 m.
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IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos P
QH
(4.7)
76
donde: P = potencia de la bomba en HP, = peso específico del agua H = es la carga total en m, Q = es el gasto requerido en m3/s Solución:
1000 * 3.33 X 10 4 m 3 / s * 53m P 0.23 HP 76
IV.5.3.2.6 Potencia del motor PM
QH 76total
(4.8)
donde: total = eficiencia del equipo de bombeo (cuando no se conoce se puede utilizar un valor de 0.6 ó 60 %. Solución:
PM
1000 * 3.33 X 10 4 m 3 / s * 53m 0.38 1 / 2 HP 76 * 0.6
Como puede verse, la potencia del motor es pequeña, el inconveniente que se presenta en los equipos de un solo paso es la operación con una carga dinámica total menor a 30 metros. Para tal cuestión se realizó una búsqueda de una bomba multipasos que pudiera satisfacer la demanda de 20 lpm y con una carga dinámica total minima de 48 metros, encontrando la marca HSC y el modelo HSC10 (1 HP).
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10 % sobre presión
Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP.
IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando U
Pozo Yucateco
20.0 m
14.0 m
C.E = 60.0 m
a = 3.83 m
10.0 m
Figura 4.14. Esquema de bombeo del pozo Yucateco.
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Con los datos que se presentan en la figura 4.14 y de datos de campo se tiene que la bomba tarda un volumen de 40 m 3 en 30 minutos, lo que equivale a tener un gasto de 22.22 litros por segundo, con este dato de la ecuación 4.1 se despeja la velocidad, ya que el diámetro es conocido y corresponde a 6 pulgadas.
v
4 * 0.022 m 3 / s (6 * 0.0254) 2
v =1.2181 m/s sustituyendo los valores en la ecuación 4.3
R
121.81 cm / s * 15.24 cm 0.0068cm 2 / s
R =272,997.70 Cálculo de las pérdidas en la descarga El material de la tubería que se considerara para obtener el ε es fierro fundido oxidado con un valor de 1.25 mm y una f de 0.021. #
Accesorio
K
Le =KD
2
Codos 90 °
30
914.4
1
Válvula de retención
50
762
1
Válvula de compuerta 13
Total:
198.12 1874.16 cm
Longitud total = L tubería + Le = 20 m + 14 m + 60 m + 3.83 m + 10 m + 18.74 m = 126.57 m. Sustituyendo valores en la ecuación 4.6.
126.57 m (1.21 m / s) 2 hf d 0.021 * 0.1524 m 19.62 m / s 2 hfd =1.32 m
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Pérdida de carga por bifurcación de 45° (k de 0.48 según Sotelo, 1980), sustituyendo valores en la ecuación 4.5.
hf 0.48
(1.21 m / s) 2 19.62 m / s 2
hf = 0.0362 m Pérdida de carga por codo de 180 con bridas (k de 0.17), sustituyendo valores en la ecuación 4.5.
hf 0.17
(1.21 m / s) 2 19.62 m / s 2
hf = 0.0128 m Finalmente la pérdida de carga total en la descarga es: hft = 1.32 m + 0.0362 m +0.0128 m = 1.369 m Calculo de la Carga dinámica total CDT = a + C.E m + Elev. pozo + hft Donde : a es el abatimiento en m C.E es la carga estática en m CDT = 3.83 m + 60 m + 20 m + 1.369 m CDT = 85.199 m Sustituyendo este valor en la ec. 4.8. Donde la eficiencia electromecánica media de operación es de 55 % (Potencia consumida).
PM
1000 * 0.022m 3 / s * 85.2m 45.3 HP 76 * 0.55
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IV.5.4 Especificaciones del Equipo De acuerdo al estudio referente a la demanda, se requiere producir 160 garrafones diarios para lo cual debemos tener una cantidad suficiente para satisfacer la producción y el lavado de los botellones en un día, es por ello que se tiene que disponer de un tanque con una capacidad de 5000 litros de los cuales solo 3200 litros se ocupan para embotellarse y 160 litros para el lavado. Al escoger el sistema más adecuado para el proceso, los fabricantes disponen de catálogos que proporcionan con facilidad para la selección del equipo. En donde solo se requiere la producción por hora y tipo de agua que se elaborara, así como el tiempo de trabajo diario; en este caso se procedió de la siguiente manera: La planta trabajara 8 horas diarias, teniendo una producción por hora lo siguiente: (21 garrafones/1 hora) x (20 L/1 garrafón) x (1 h/60 min) = 7.0 l/min. (7.0 l/min) x(1 galón / 3.785 l) = 1.849 galones/min. Sin embargo por el porcentaje de recuperación de la osmosis se debe seleccionar los equipos con una capacidad de 14 lpm (3.698). Pero por cuestiones hidráulicas y de mercado se seleccionaran los equipos de filtración a Intercambio Ionico con capacidad de 20 lpm (Esta cifra es el más útil para la selección del equipo), la cual se inicia con un filtro de lecho profundo, para este y todos los procedimientos se procedió comparando varias marcas que se encuentran en el mercado que a continuación se presenta en la tabla 4.16 Algo importante que se debe mencionar respecto al mercado que existe es que no todas las Empresas disponen de equipos con el flujo que se requiere, por lo que las marcas que se presentan mas adelante son algunas que manejan caudales pequeños, ya que por lo general las plantas purificadoras se diseñan con capacidades de mas 400 garrafones diarios y menor a esto los equipos son para uso domestico donde se usan más los portacartuchos.
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IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo La calidad del filtrado se clasifica en: excelente (10-15 micras); alta (15-20 micras) y normal (20-30 micras), como nuestra fuente se trata de buena calidad se selecciona la excelente. Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial. Marca
Modelo
Instapura Aquaplus
IPF-08-FV
Ecowater
Flujo (lpm) 1017-20
Retrolavado Presión Caída de de T em. de Espacio Consumo- Costo($) (lpm) (psi) de P entrada salida operación ocupado válvula sin IVA (psi) °C (in) (watts/h) 20 30-100 8 19 19 40 8x40 120 v $4,280.64
LPF-M9
7-23
26
30-70
13
19
19
4-34
9x51.18
120 v
$3,169.32
NASPFSSA M
7.5715.14
20
30-70
13
19
19
40
10x48
120 v
$6,523.86
Nota: El material de los filtros es de fibra de vidrio.
Selección: Como podemos observar el filtro que más se adapta a nuestras necesidades es el modelo LPF-M9, el cual tiene un flujo de 7-23 lpm de excelente calidad, con un área filtrante de 0.95 ft3, además de ser el que requiere menor presión para su funcionamiento, y de menor costo de adquisición. Por lo general todas las empresas dan una garantía de un año. El espacio que se requiere para su instalación en el piso es de 25x25 cm y una altura de 190 cm. Los materiales de filtrado para su operación son: Grava de 1/8 a ¼ (9 kg), Gravilla 12/46 o Garnet (9kg), Arena Silica 20/30 (14kg), Arena Silica 30/40 (16kg) y Antracita (6kg).
IV.5.4.2 Filtro de carbón activado Algo importante que se debe considerar en la selección de un filtro de marcas diferentes al proceso anterior es la igualdad de sus diámetros de lo contrario se tendrán más pérdidas de carga por reducciones o ampliaciones.
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Por otra parte en la selección del filtro, se debe tomar en cuenta si el agua a tratar ha recibido algún tratamiento químico como cloración, si es así se debe elegir uno que remueva este problema, ya que el usar uno para remoción de olores y sabores no sería el indicado. Los filtros activados del carbón son clasificados generalmente por el tamaño de partículas que van desde 20 micrones (menos eficaces) abajo a 0,5 micrones (más eficaces). Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial. Retrolavado Presión Caída de de T em. de Espacio Consumo- Costo($) (lpm) (psi) de P entrada salida operación ocupado válvula sin IVA (psi) °C (in) (watts/h) Instapura IPC-09-FV 22 30-100 6 19 19 40 9x48 60 ?? Instapura IPC-10-FV 19 30-100 6 19 19 40 10x54 60 ?? Instapura IPC-08-FV 20 30-100 5 19 19 40 8x40 60 $4,579.05 214, 7,15 15 5.688 19 19 4-34 9x51.18 55 $4692.24 Aquaplus CAF9 50,70 30 21,50,70 5.688 19 19 4-34 12X51 55 $6256.32 9,15,30 Aquaplus CAF12 NASPFSSA 7.57ECO15 30-50 4 19 19 40 10x48 60 $6,544.44 15.14 WATER C Marca
Modelo
Flujo (lpm) 10 15 8
Selección: El filtro de carbón activado que se elige es el modelo CAF12, del que solo se necesita uno; su material es carbón granular, soporte de mineral – grava fina, con una capacidad de tanque de 43 litros, con un peso de 95 kilogramos, una válvula o control modelo 5000SE. El espacio que requiere para su instalación en el piso es de 25X25 cm y una altura de 190 cm para el cambio del carbón. Según Aquaplus (2002) la eficiencia de la mayoría de ellos es de 80 al 90 %.
IV.5.4.3 Intercambio iónico Como este proceso es él ultimo de la primera parte y el destino del agua es un depósito, para la selección del modelo no se considera mucho la caída de presión, pero si la presión de operación.
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Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial. Marca
Modelo
3038 7.57Ecowater IRK38 15.14 Aquapluss G-20 30-45 Instapura
IPS22-FV
Flujo (lpm)
Retrolavado Presión (lpm) (psi)
Caída de P (psi)
Tem. de de de operación entrada salida °C
Espacio ocupado (in)
Consumoválvula (watts/h)
Costo($) sin IVA
8
30100
5-13
19
19
40
8x40
120/60
$4,177.74
9
40-50
12.
25.4
25.4
40
10X48
120/60
$7,017.78
9
30-70 8.532
19
19
4-34
9X45.27
120/60
$5,916.75
Selección: El modelo seleccionado es el IPS-22-FV, tiene una capacidad de 22500 granos por cada 5 kg de sal; la cantidad de agua para el flujo de retrolavado es menor respecto a los demás; La pérdida o caída de presión al pasar el agua por su cuerpo filtrante es de 0.75 ft3,además acupa menos espacio y su válvula es totalmente automática. El cálculo del modelo a seleccionar se realiza de la siguiente manera: Dureza total (ppm) ÷ 17.1 = 135.95 ppm*17.1=7.950526 GPG (Granos por galón). GPG x Galones por día = 7.95052 gpg*1775.429 gpd = 14115.59 Granos necesarios en un día. La regeneración se realizará con 15 Ibs por cada pie cúbico de resina, para que tenga mayor eficiencia y menor tamaño del tanque. Para encontrar el tamaño del tanque se dividen los granos necesarios en un día por los granos que hay en 15 Ibs de sal. Tamaño filtrante = 14115.59/30000 =0.47 ft. Con este valor el diseñador entra a los catálogos para verificar que modelo esta mas próximo a sus requerimientos. En este caso como ya nos indican la cantidad de granos, lo que nos resta es solo dividir los granos que dispone nuestro modelo con los granos necesarios en un día. Tiempo de regeneración = 22500 granos/ 14115.59 granos / día = 1.59. días (12.72 horas). Sin embargo Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada fin de semana siempre que el tratamiento que le procede sea la ósmosis inversa.
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IV.5.4.4 Osmosis inversa La característica esencial para la selección de este sistema es el tiempo de trabajo, ya que se puede optar para un trabajo de 24 horas o un flujo contínuo para operar 8 horas de jornada laboral y obtener el volumen al que fue diseñado todo el sistema. Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales. Bomba % de Medidas de (HP) recuperación membranas
Presión Cantidad Tem. de Consumode de operación válvula operación membranas °C (watts/h) (psi)
Costo($) sin IVA
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Instapura
IPROHXL2000
7.360
1
50-33
4X40
1
40
25
120/60
$39,822.30
R2F40
7.570
1
50-30
4X40
2
40
25
120/60
$49,783.02
R2D40
2.5236*
½
50-60
4X21
1
40
25
120/60
$32,310.60
Ecowater Ecowater
* se requiere de un tanque de almacenamiento para operar las 24 horas y producir 191 garrafones /día. Seleccion: De acuerdo a sus características se opta por el modelo IPRO-HXL-2000, las consideraciones que se tomaron fueron, el número de membranas con las que disponen, la potencia de su motor, el costo de adquisición y el gasto de operación más cercano al requerido. Características del Sistemas: Montaje Horizontal: Marco de metal con pintura horneada, membranas TFC ULP-baja presión, portamembranas de PVC, manómetro, switch de nivel para tanque de almacenamiento, válvula solenoide de bronce para la entrada, válvulas de aguja para desecho y recirculación, medidores de flujo para producto y desecho, bomba multipaso, prefiltro de 5 micras, tubería de alta presión y caja de control de fibra de vidrio. La caja de control incluye: switch de encender/apagar, switch de baja presión, controles de nivel de bajo voltaje, retraso de tiempo automático, posición de encendido de luces, luz de baja presión, relay de encendido de 50 AMP. Medidor de S.T.D. integrado marca Hanna, digital de 1 a 999 ppm. Notas: Los rangos de recuperación son determinados por la alimentación de agua y el pretratamiento utilizado. La producción está basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de S.T.D.
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IV.5.4.5 Radiación ultravioleta Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales. Marca
aquaplus aquaplus Econext (Sterilght) Sanitron Mighty Pure Eco-water (Sterilght)
Modelo
2SSUV M 2VEM
Flujo (lpm)
Presión de Caída de operación presión máxima (psi) (psi)
7.6
125
4.266
Dimensiones Φ de φ de Dosis µws / Tempe- Consumo : frente- entrad salida cm3 ratura fondo-altura a (mm) (mm) °C (watts/h) (cm) 51X14X34
9.7
Costo($) sin iva
6.4
30,000
30
16
$2,630.64
7.6
125
4.266
29X14X35
12.7
6.4
30,000
30
16
$1,893.36
S2Q
7.57
125
5
47X6.5X6.5
12.7
12.7
32,000
30
45
$3,508.89
S14
7.57
5-100
5
12.7
12.7
30,000
30
14
$8,452.50
MP13
7.57
5-100
5
12.7
12.7
30,000
30
10
$6,095.00
125
5
19
19
30,000
30
45
$3,848.46
7.57S5Q 15.14
41X13.81X2 0.79 34.29X10.95 X21.27 --------
Selección: Los parámetros importantes para la selección de este tratamiento es la presión mínima para su operación, el consumo de energía eléctrica, el diámetro de entrada y salida, y el más actual en el mercado. El modelo seleccionado es MP13, el cual opera arriba de 5 psi, sin embargo para una buena aplicación de la radiación, el flujo debe ser turbulento. Como el sistema de ósmosis inversa opera a 40 psi, la presión del permeado es baja y para aumentar la velocidad del flujo el diámetro de entrada a las lámparas no debe disminuir la presión de tal. Este modelo consta de un prefiltro de 5 micras, un retardador de tiempo o de flujo para permitir un periodo de calentamiento de tubo de 2 minutos antes de que el agua fluya a través de la unidad válvula solenoide, válvula de control de flujo, monitor de UV, alarma automática de funcionamiento, contador de horas, consumo eléctrico de 120v/60Hz, una dosis mínima aplicación de 16,000 µws / cm3, las partes en contacto con el líquido son de acero inoxidable y un soporte para montaje en la pared. Los otros modelos tienen un precio bajo pero no incluyen los dispositivos para la instalación adecuada.
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IV.5.4.6 Generador de ozono El generador y dosificador de ozono al agua purificada es un modelo Wp/250 MG el cual consta de un filtro secador de aire mod. IPSE que incluye un porta cartucho # 10 SL transparente, 1 soporte de muro #5, 2 conexiones Jac o 1 tapon 3/8, y una carga de material IPTM. El precio es de: $9,321.71 con IVA incluido.
IV.5.4.7 Lavadora de garrafones El sistema de lavado modelo L-3 (3 garrafones simultáneamente) está construido enteramente de acero inoxidable e incluye válvulas, tuberías, boquillas y está integrado por una Tarja dividida en 3 partes, una para lavado exterior, lavado interior y enjuagado interior fabricada de acero inoxidable. Un carro deslizable para lavado y enjuagado del garrafón. dos bombas de 1 HP. (una para el lavado con detergente y la otra para el enjuague) en acero inoxidable marca ESPA. Una regadera, sistema eléctrico y con hidráulico integrado. Base en acero estructural recubierta con pintura epóxica. Cubierta lateral de acrílico para que no salpique el agua. El precio es de: $15,500.00 sin IVA.
IV.5.4.8 Llenadora de garrafones El sistema de llenado L-2 (2 garrafones simultáneamente) consta de una mesa de acero al carbón o aluminio móvil para evitar hacer obra, Equipo hidroneumático de 3/4 de HP con cabezal de acero inoxidable. El precio es de: $8,232.00 sin IVA.
IV.5.4.9 Sistema de transporte Se dispondrá de una camioneta pick-up Nissan, la cual se adquirirá en su momento con un precio de adquisición de $147,839.
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IV.5.4.10 Superficie para la instalación Se requiere un máximo 35.3 metros cuadrados.
IV.6 Estimación de Costos El siguiente estudio se realiza considerando los costos de una planta de tratamiento con una inversion en: equipo de producción, equipo de oficina o mobiliario y de mas accesorios, el pago por bombeo de la materia prima, la adquisicion de un vehículo para el reparto, gastos por administración, construcción de la obra civil y considerando que ya se tiene el terreno.
IV.6.1 Constitución de la Empresa Para obtener el acta constitutiva de una empresa S.A. de C.V., es necesario acudir a la Secretaria de Relaciones Exteriores, donde se autoriza la constitución de la sociedad, posteriormente, se formaliza ante un notario público y se inscribe en el registro público de Comercio de la SECOFI. Al mes siguiente se acude a la Secretaria de Hacienda y Crédito Público para solicitar su inscripción en el Registro Federal de Contribuyentes, donde se recibe una clave que le identifica ante la autoridad fiscal. También debe de solicitarse una Licencia de Funcionamiento expedida por el gobierno municipal de la localidad donde esta empresa se establezca. Ante la Secretaria de Salud o de los gobiernos estatales donde se pide una autorización que tiene la forma de Licencia Sanitaria o permiso sanitario. Registrar la marca para tener propiedad autoral conocida como derechos de autor ante México en el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI).
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IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra El requerimiento del personal para iniciar la operación de la planta, se muestra en la tabla 4.21, también se hace mención del salario que corresponde al área geografica A que se tiene en la república mexicana. Tabla 4.21 Requerimientos de personal. Personal Cantidad Sueldo Diario total* Operador 1 55.5 Chofer o distribuidor 1 60.9 Administración 1 54.9 $171.3 Total: 3 * Fuente: Comisión nacional de los salarios minimos
IV.6.2.1 Descripción del puesto Operador. Tiene a su cargo el lavado, llenado, colocación de la tapa, sello y etiquetado de los garrafones y envases; inspección del producto de acuerdo a las normas de calidad y transporte al almacén y/o vehículo de repartición. Este se considera mano de obra directa. Chofer o distribuidor. Tiene a su cargo la distribución del producto conforme se solicite en cada departamento. Este puesto se considera dentro del personal administrativo. Administración. Su función es llevar acabo la administración financiera de la empresa y la realización de pedidos de material u accesorios que se requieran.
IV.6.3 Programa de Producción Para la elaboración del agua de garrafón, se tiene estipulado una demanda del 73.58 % la cual corresponde a 12.266 metros cúbicos a la semana como inicio; e incrementando anualmente un 10 % hasta llegar a lo que se tiene proyectado de 14.98 m3/semana, donde la producción se volverá constante el resto de vida de la planta.
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De acuerdo al estudio de mercado son necesarios trabajo:
las siguientes indicaciones de
Se trabajara un turno de lunes a viernes (un operador). Cada turno será de 8 horas. Comprenderá de 8-17 hrs. Los días no laborables de acuerdo con políticas de la empresa y oficiales que se otorgan a nivel nacional son 16 días y en base al calendario escolar se trabajara tan solo 198 días (38.6 semanas).
IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima Agua.- Se ministrara de la red del pozo (Yucateco) que esta al norte de la entrada principal de la Uach (ver tabla 4.8). Envases.- Serán de plástico de PVC, resistentes al frío, calor; como lo exige la norma NOM-041-SSAA1-1993. En el caso de las presentaciones menores estas serán de material PET. Los requerimientos anuales se presentan en la tabla 4.22. Tapas.- Estas deberán ser material inocuo y resistentes de tal manera de no producir sustancias toxicas u altere la calidad del producto. Etiqueta.- En esta deberán contener los datos indispensables de la planta y producto tales como: Logotipo de la empresa, nombre o marca comercial, nombre o razón social del fabricante, dirección del fabricante, contenido en unidades de volumen, lugar de fabricación, lote o clave de producción y fecha de caducidad. Sellos.- Estos se adhieren alrededor de la botella donde debe llevar el nombre de la empresa.
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Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año.
Materia prima Periodo Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total/anual 3
m /anual
Agua
Sellos
L 34,346.69 46,613.37 34,346.69 53,973.37
4.04 5.48 4.04 6.35
49,066.70 22,080.02 19,626.68 53,973.37 46,613.37 56,426.71 46,613.37 22,080.02 485,760.33
5.77 2.60 2.31 6.35 5.48 6.64 5.48 2.60 57.13
Envases de 500 y 1500 ml Etiquetas Tapas Envase millar 4.04 4.04 4.04 5.48 5.48 5.48 4.04 4.04 4.04 6.35 6.35 6.35 5.77 2.60 2.31 6.35 5.48 6.64 5.48 2.60 57.13
5.77 2.60 2.31 6.35 5.48 6.64 5.48 2.60 57.13
5.77 2.60 2.31 6.35 5.48 6.64 5.48 2.60 57.13
Garrafones de 19 litros Etiquetas Tapas millar 1.68 1.68 2.28 2.28 1.68 1.68 2.64 2.64 2.40 1.08 0.96 2.64 2.28 2.76 2.28 1.08 23.79
2.40 1.08 0.96 2.64 2.28 2.76 2.28 1.08 23.79
485.76
IV.6.4 Estudio Económico IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima Los costos de bombeo se dividen en tres grupos: costos directos, costos de operación y los costos de mantenimiento y reparación, según Palacios (1995). Para este caso, como el equipo ya se encuentra instalado, los costos directos se dan por cubiertos y solo se consideran los costos de operación de mantenimiento y reparación.
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1. Costos de operación (CO). Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el motor y también la tarifa vigente de costos por kilowatts-h. La potencia consumida por el motor operando es de 45.3 H.P. que convertidos a Kw da: 1HP = 0.745 KW 45.3 HP = 0.745* 45.3 = 33.74 KW De dato de campo tenemos que la bomba trabaja aproximadamente 1 hora por día, y de acuerdo al calendario de la Universidad, la bomba solo trabaja 318 (10.45 meses) días al año; lo cual al mes resulta:
Horas de Operación Mensual
1 * 318 30.416 horas / mes 10.45
El consumo mensual es: Consumo Mensual
33.7 KW 30.416 h 1026.52 KW / Mes 1h 1 mes
2.Costos por consumo de electricidad Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el motor y también la tarifa vigente de costos por KW-h. Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable. Cargos Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. Fijo ($) 158.80 159.57 160.34 161.11 161.89 162.67 163.46 164.25 165.04 165.84 166.64 167.44 Energía 0.874 0.878 0.882 0.886 0.890 0.894 0.898 0.902 0.906 0.910 0.914 0.918 ($/KWh)
Para estimar costos anuales se toman como costos de la tarifa el promedio de los meses de Junio y Julio o también el promedio anual(Gutiérrez, 2002). En este caso como los meses de Junio y Julio no se labora en su totalidad se considera la media anual.
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Media anual: $0.896 Kwh. Para cargos fijos: $163.088/ mes Obtenidos los datos anteriores se calculó el consumo mensual de energía, y de esa manera calcular los costos por consumo de electricidad con la siguiente expresión: CCE = CF +CC*KC
(4.9)
Donde: CCE, es el costos por consumo de electricidad, en $. CF, son los cargos fijos. CC, son los cargos por KW-h consumido. KC, son los KW/mes consumidos. Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.9 se tiene:
CCE 163.088 0.896 *1026.52 $1082.85 / mes CCE = 1082.85*10.45 = $11315.78/ Año. CCE = $11 315.78/ Año. 3. Los Costos por operador se calcula con la siguiente expresión. CO = SD (365 + 40) Donde: CO, es el costo por operador, en $ SD, Salario diario del operador, en $ 365, Son los días de operación al año, adimensional 40, son los días de aguinaldo anuales para el operador, adimensional.
(4.10)
De dato de Servicios de mantenimiento de la Uach tenemos que el salario diario del operador es:$55.0. De acuerdo a la ecuación (4.10) los costos por operador son: CO = 55*(365+40) = $22 275/ Año CO = $ 22 275 / Año
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Por lo que los costos totales anuales por operación son: CO = CCE + CO
(4.11)
CO = $11 315.78 + $22 275= $33 590.78/ Año CO = $33 590.78/ Año 4.Costos de mantenimiento y reparación(CMR). Los costos de mantenimiento y reparación se estiman como un 15 % de los costos de perforación del pozo y de los costos de la red de agua potable mas un 4 % del equipo de bombeo y subestación eléctrica ( FIRA,1995) citado por Gutiérrez (1999). En este caso no se sigue el procedimiento que se menciona anteriormente, ya que por fuente de Servios Mantenimiento de la Uach, los pozos se les realiza una inversión cada tres años con un costo total de 28 mil pesos, por tanto anualmente se requiere una acumulación de $9,333.3. CMR = 9 333.33/año Una vez obtenidos los costos de operación se obtienen los costos de bombeo con la siguiente expresión: CB = CO + CMR
(4.12 )
Donde: CB, son los costos de bombeo, en $ CO, son los costos de operación, en $ CMR, son los costos de mantenimiento y reparación, en $ Entonces los costos de bombeo (CB) anuales según la fórmula (4.12) son: CB = $33 590.78+ 9 333.33 = $ 42 924.11/ año Ahora se calculan los costos por metro cúbico bombeado (CMB). De dato de campo se tiene que la bomba tarda en llenar un volumen de 40 m 3 media hora y que la población demanda 2 veces ese volumen por día. Por lo que al año demanda el siguiente volumen:
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Volumen anual demandado = 40 * 2 * 318 = 25440m 3/Año Por lo que el costo por metro cúbico bombeado (CMB) es el siguiente:
CMB
42,924.11 $ 1.69 / m3 25440
CMB = $1.69 / m3 5.Costo del equipamiento. El costo del equipamiento (bomba y motor eléctrico) se estimó con el modelo siguiente. (World Bank, 1999 citado por Gutiérrez, 1999).
CE 147.37C.D.T .08966Q 0.826
(4.13)
Donde: CE es el costo de equipamiento, en pesos de 1996 CDT es la carga dinámica total, en m Q es el gasto, en lps Sustituyendo datos, en ecuación 4.13:
CE 147.37 * 85.208966 * 22.220.826 CE = $102 719.24 Como los costos de equipamiento se estimaron en pesos de 1996, se lleva a valores actuales con la siguiente expresión, según Thuesen et al (1986):
F P(1 ) n
(4.14)
Donde: F es el valor futuro, en $ P es el valor presente, en $ λ es la tasa de inflación anual, en decimal n, es el número de años, adimensional
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Al pozo en cuestión se le realizo una inversión total en el año de 1995, si la vida útil de la bomba es de 12 años y la del motor es 20 años (Turner & Anderson, 1980 citado por Palacios, 1998), se puede tomar la media de ambos equipos (16 años) según Gutiérrez, 2003 (comunicación personal), ya que no siempre tienen la duración propuesta debido a la variación de las condiciones de operación. Al equipo de bombeo sólo le restan 8 años de vida útil. Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años.
Año
Inflación anual acumulada (%)
Costo de equipamiento ($)
F P(1 ) n
1997 14.7 117,818.97 1998 17.2 138,083.84 1999 11.69 154,225.84 2000 8.61 167,504.68 2001 4.31 174,724.13 2002 5.57 184,456.27 2008 6* 293,995.27 *Valor propuesto del 2003 al 2008, según los valores promedio de los últimos años.
El valor de adquisición de la Bomba y el Motor en el año 2008 será de $293 995.27, el volumen que ocupa la Planta de Tratamiento es del 3.49% respecto al total del agua bombeada anualmente, por lo que se tiene que disponer de $10,260.00 en el año 2008, para realizar una inversión en la compra del nuevo equipo.
IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases. Costo de Materia Prima Concepto Agua / L 5 % lavado 50 % segurid. subtotal:
Cantidad Requerida Costo Unitario (pesos) Costo total Anual (pesos) 485,760.33 1.69 820.93 24288.0165 1.69 41.05 242880.165 1.69 410.47 752,928.51 1.69 $1,272.45
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Continuación...
Envase/pza Tapa/millar Etiquetas subtotal: Envase/pza Tapa/millar Etiq/millar sello/millar subtotal: Envase/pza Tapa/millar Etiq/millar sello/millar
Garrafones 800 23.79 23.79
23.5 175 80
Envases de 0.5 litros 52034.40 0.6 52.03 100 52.03 75 52.03 80 Envases de 1.5 litros 5096.52 0.9 5.10 100 5.10 75 5.10 80
subtotal: Total:
18800.00 4164.06 1903.57 $24,867.64 31220.64 5203.44 3902.58 4162.75 $44,489.41 4586.87 509.65 382.24 407.72 $5,886.48 $76,515.98
*Se toma como inversión de activo fijo de producción.
Estos datos corresponde a una producción al 73.58 % de la planta, e incrementando anualmente hasta el quinto año de vida, para posteriormente ser constante (ver tabla 4.26). Tabla 4.26 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida útil.
Año 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Garrafones 0.5 litros Tapas /sellos Envases Tapas-sellos-Etiq. 23.79 52,034.40 52.03 25.96 54,386.64 54.39 28.33 56,974.10 56.97 28.99 59,820.31 59.82 28.99 62,951.15 62.95 28.99 62,951.15 62.95 28.99 62,951.15 62.95 28.99 62,951.15 62.95 28.99 62,951.15 62.95 28.99 62,951.15 62.95
Envases 5096.52 5606.17 6166.79 6783.47 7461.81 7461.81 7461.81 7461.81 7461.81 7461.81
1.5 litros Tapas-sellos-Etiq. 5.10 5.61 6.17 6.78 7.46 7.46 7.46 7.46 7.46 7.46
Monto total $76,515.98 $79,779.69 $83,369.77 $86,720.98 $90,188.10 $90,188.10 $90,188.10 $90,188.10 $90,188.10 $90,188.10
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IV.6.4.1.3 Otros materiales Tabla 4.27 Otros materiales. Concepto Material eléctrico Útiles de Aseo Cofias, guantes, cloro. Detergente. Total
Costo Mensual 45.0 70.0 20.0 58.3 193.3
Costo Anual $356.40 $554.40 $158.40 $461.74 $1,530.94
IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica En el tren de tratamiento se cuenta con sistemas que requieren de cierta presión y algunos otros utilizan controles como: Válvulas automáticas; motores que funcionan con energía eléctrica; en la tabla 4.28 se muestran los equipos que usan energía eléctrica.
Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica. Equipo
Filtros Osmosis Llenadora Lavadora Inyec.Ozono Válvulas Lámpara Uv. Generación O3 Pistola Termo.. Total
# de Hp unida des
kw-h / Kw-h / dia unidad
Kw-h / año
5% improvistos
Carga (Kw/h)
1 1 1 2 1 4 1 1 1
0.745 0.745 0.558 1.49 0.372 0.24 0.015 0.03 1.2 5.395
1180.08 1180.08 883.87 2360.16 589.25 380.16 131.40 47.52 1900.80 8653.32
1239.08 1239.08 928.07 2478.17 618.71 399.17 137.97 49.90 1995.84
0.782 0.782 0.586 1.565 0.391 0.252 0.087 0.032 1.260
1.00 1.00 0.75 1.00 0.50
5.96 5.96 4.46 11.92 2.98 1.92 0.36 0.24 9.60 43.40
total Costo anual
1,234.75 1,234.75 924.82 2,469.49 616.54 397.77 253.45 49.72 1,988.85 $ 9,170.15
Según los datos de tabla se tiene un consumo de 5.395 Kw.-h; siendo menor a 25 Kw.h, correspondiendo a una contratación de servicio de energía eléctrica de baja tensión con una tarifa de $0.9965 kw-h y un costo de $ 300 por la bajada (CFE, 2002).
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IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa. Personal Operador
Cantidad Sueldo Diario total 1
55.5
Sueldo Sueldo / mensual anual 1688.125 20,257.5
A este total anual hay que agregarle un 35 % de prestaciones que incluye el pago al fondo de vivienda (INFONAVIT en México), vacaciones, aguinaldos, y días de descanso obligatorio. Por tanto el costo de la mano de obra directa es igual a: 20,257.5 $/año x 1.35 = $27,347.625/año.
IV.6.4.1.6 Combustible El único gasto atribuible a combustible durante la producción es material (sal común) para regenerar la resina el cual tiene un costo de $60 bulto. Si la regeneración se realizara cada 12 horas con un consumo de 5 kg, la cantidad requerida anualmente será la siguiente: 1584 horas/ año x 1 regeneración / 12 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto = $1,320 /año. Sin embargo por recomendación de Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada fin de semana por lo tanto los costos son menores. 1584 horas/ año x 1 regeneración / 40 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto = $463.5 / año.
IV.6.4.1.7 Mantenimiento Los costos de mantenimiento implican una revisión periódica de los sistemas del tren de tratamiento. Los equipos que requieren mantenimiento son los siguientes:
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Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario. Equipos Unidad. Costo Unitario Tiempo Costo unitario / anual $ / anual * Filtro de lecho profundo 1 1000 3 años 333 208 Filtro de carbón activado 1 250 3 meses 1000 663 Suavizador 1 422 3 años 141 88 Membrana de Osmosis Inversa 1 900 2 años 450 280 Lámpara de UV 1 422 1 año 422 422 Porta cartuchos 2 100 1 año 200 125 $1,744.47 Total: $/anual * Los costos son menores ya que se considero que la planta sólo operara 198 días.
IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad Según la Norma oficial Mexicana es de observancia obligatoria que las personas físicas y morales que se dedican a este proceso deben acatarse a las especificaciones que establece la NOM-041; y de esa manera dar confiabilidad y garantía de calidad del producto. Generalmente las plantas con gran producción tienen su propio laboratorio, en este caso es más económico realizarlos en un laboratorio, con frecuencia de un mes. Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada y envasada. Análisis Químico Parámetros $ / muestra -2 Carbonatos (CO3 ) 28 -1 Cloruros (Cl ) 32 -2 Sulfatos (SO4 ) 32 +2 Calcio (Ca ) 31 +2 Magnesio (Mg ) 31 +1 Sodio (Na ) 28 pH 17 Total: $199 Fuente: Laboratorio General de Suelos.
Según Dávila (2002), la planta periódicamente se le debe realizar un análisis del agua purificada.por lo menos cada dos meses (plantas pequeñas).
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El costo total anual = ($199 /mes) X (198 días /25 días-mes) x (1 análisis / 1 meses) = $ 1576.08 año.
IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción A continuación se muestra un resumen de los costos de producción. Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción. Concepto Costo total anual Materia Prima $ 76,515.98 Otros materiales $1,530.94 Energía Eléctrica $7,506.21 Combustible $1,080.00 Mano de Obra directa $27,347.63 Mantenimiento $1,744.47 Control de Calidad $1576.08 Depreciación. $62,160.20 $ 179,461.97 Total:
IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración Como la planta es muy pequeña esta contara con una persona encargada de la administración y un chofer. El sueldo del personal se presenta a continuación. Tabla 4.33 Costos del personal administrativo. Personal Cantidad Sueldo Diario total Sueldo / anual Administración 1 54.90 20,038.5 Chofer y repartidor 1 60.90 22,228.5. Total: 2 115.8 42,267.0 Con prestaciones (35%) 156.33 $ 57,060.45 Fuente: Comisión Nacional de Salarios Mínimos, 2002.
Además la administración tiene otros egresos como los de oficina, los cuales influyen, papelería, facturas, café, teléfono y otros. El monto mensual estimado es: $500; descifrado de la siguiente manera: Facturas = $ 60. Hojas = $10.
Café = $30. Teléfono = $400
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Monto total anual:$500 x 7.9 meses laborables = $ 3950 Por lo que el monto total por gastos de administración es el siguiente: $61,010.45
IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta En este apartado no se incluye otra persona para realizar el reparto, pues el chofer cumple esta función; por lo cual solo se incluyen los gastos de mantenimiento del vehículo de reparto, el combustible que consume. Teniendo los costos anuales siguientes: Mantenimiento anual de los vehículos:$2500 por llantas. Combustible de los vehículos: ($22 aceite cada 10,000 km) + (15,800 gasolina) = $ 15,822 Los $15,800 son considerando que la camioneta solo realizará maniobras en la Universidad y periódicamente fuera de ella, por lo que se estima un gasto de $400 pesos en 5 días laborables. Total anual = $ 18 322.0
IV.6.4.1.12 Costos totales de producción Con todos los datos anteriores se calcula el costo de producción, que se muestra en la siguiente tabla: Tabla 4.34 Costos totales de producción. Concepto Costo total anual Materia Prima $ 76,515.98 Otros materiales $1,530.94 Energía Eléctrica $7,506.21 Combustible $1,080.00 Mano de Obra directa $27,347.63 Mantenimiento $1,744.47 Control de Calidad $1576.08 Depreciación. $62,160.20 $ 179,461.97 Total:
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IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa En la tabla 4.35 se muestra el costo total que tendría la planta para producir agua purificada. Debe tomarse en cuenta que estos costos corresponden al año cero antes de realizar la inversión. Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario. Concepto Costos de producción Costos de administración Costos de ventas Total: 3 Costo Unitario/ m
Costos $ 179,461.97 $61,010.45 $18,322.0 $258,794.42 3 $258,794.42./(485.760 m /anual) 3 = $532.76/m
Como un metro cúbico tiene 1000 litros, se procede a dividir el costo unitario. El cual se presenta a continuación: $ 532.76/ m3 x (1 m3/ 1000 litros) = $0.532 / litro. Por lo que el precio mínimo de un garrafón de 19 litros es de $ 10.12 y el envase de 0.5 y 1.5 litros tendría un costo de $0.266 y $0.798 respectivamente. Un precio de venta en el mercado de $12.15 pondría en desventaja a otras marcas, que se entregan en las oficinas a $12.45. Respecto a las presentaciones menores de 0.5 y 1.5 litros; se propone que el precio de venta al distribuidor si lo hay sea de $ 1.5 y $3.5 respectivamente, lo anterior es de acuerdo al estudio de mercado que se presento en la tabla 4.7, tal precio daría oportunidad de introducir este producto al mercado con mayor éxito.
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IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58% Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año. año 1 Garrafones 0.5 litros 1.5 litros Mes Ingresos/mes (pesos) (pesos) (pesos) 20,441.77 4,599.00 1,261.26 Enero 27,742.40 6,241.50 1,711.71 Febrero 20,441.77 4,599.00 1,261.26 Marzo 32,122.78 7,227.00 1,981.98 Abril 29,202.53 6,570.00 1,801.80 Mayo 13,141.14 2,956.50 810.81 Junio 11,681.01 2,628.00 720.72 Julio 32,122.78 7,227.00 1,981.98 Agosto 27,742.40 6,241.50 1,711.71 Septiembre 33,582.90 7,555.50 2,072.07 Octubre 27,742.40 6,241.50 1,711.71 Noviembre 13,141.14 2,956.50 810.81 Diciembre 289,105.00 65,043.00 17,837.82 Subtotal /anual $371,985.82 Total:
IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido Estos corresponden a todos los necesarios para la operación de la empresa desde los puntos de vista de producción y administración y ventas. Activo fijo de Producción Tabla 4.37 Activo fijo de producción. Activo fijo de Producción Cotización de Maquinaria y Accesorios Concepto Tanque para agua cruda* Motobomba* Filtro de lecho profundo Filtro de Carbón Activado
Cantidad 3 1 1 1
Costo Unitario sin 5 % Fletes Costo total con 15 % IVA IVA 5,631.00 300.00 16,893.00 1,650.00 50.00 1,650.00 3,169.32 182.24 3,644.72 4,692.24 269.80 5,396.08
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Continuación... Suavizador Osmosis Inversa Filtro pulidor de 5 micras* Equipo de rayos ultravioleta Inyección de Ozono* Lavadora L-3 Llenadora L-2 Pistola Maquita* Válvula de compuerta* Válvulas de retensión* Válvulas de Globo* Conexiones T* Codos 90°* Reducciones y ampliaciones* Tubería Hidráulica C-10* Subtotal:
1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 5 2 6 8 4
4,177.74 39,822.30 100.00 6,095.00 9,321.71 15,500.00 8,232.00 850.00 25.00 65.00 18.00 32.00 5.50 6.00 135.00 $101,091.89
240.22 2,289.78 350.46 466.09 891.25 473.34 $5,603.11
Total:
4,804.40 45,795.65 200.00 7,009.25 9,321.71 17,825.00 9,466.80 850.00 50.00 65.00 90.00 64.00 33.00 48.00 540.00 $124,695.29 $130,298.41
Activo fijo de Oficina Tabla 4.38 Activo fijo de oficina. Concepto Computadora e impresora Equipo y Mobiliario de Oficina Teléfono Total:
Cantidad Costo total en pesos 1 $ 8000 Varios $ 5000 $1600 $14,600
Activo fijo de Ventas. El activo fijo de ventas corresponde a la camioneta marca Nissan, mod.02 con un precio de adquisición de $147,839.00.
IV.6.4.1.16 Obra civil El terreno, que se va a emplear de acuerdo al espacio que ocupa cada parte del tren de tratamiento terciario y algunos otros aspectos importantes como oficina, almacén. La superficie a construir es la siguiente: 35.31 m2 (5.5 x 6.42 m).
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6.75 m2 0.355 m2 1.065 m2 0.9 m2 0.75 m2 3 m2 22.49 m2 35.31 m2
3 Tanque de almacenamiento: Filtros- Carbón Activado e Intercambio Iónico: Osmosis Inversa: Lavadora de garrafones: Llenadora de Garrafones: Oficina: Otros: Total:
N
Sabemos por fuente de Proyectos de Servicios Generales de la Uach que el costo por metro cuadro de construcción es de $3897/m2. Este precio es atribuible a una construcción con pisos de Loseta, paredes aplanadas y techo de concreto.
0.25 m 1.42 m
1.5 m
Bomba 1.5 m
1.5 m
Filtros Tanque
Tanque OI UV
0.75 m
Lavadora
Llenadora
Inyeción de O 3
Tanque
0.5 m
550
Almacen 1.5 m
Oficina
2.0 m
1. m
0.5 m
1m
6.42 m
Figura 4.15. Esquema de ubicación del sistema de producción.
El monto por la obra civil es: $3897/m2x 35.31 m2 = $137 564.10
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IV.6.4.1.17 Activo diferido Este comprende todos los activos intangibles de la Planta tales como planeación e integración (3 % de inversión total sin activos diferidos), ingeniería del proyecto (3.5 % de inversión en activos de producción), supervisión (1.5 % de inversión total sin activos diferidos) y administración del proyecto ( 0.5 % de inversión total sin activos diferidos) hasta la puesta en funcionamiento de tal. Tabla 4.39 Activos diferidos. Concepto Planeación e integración del proyecto (3 %) = Ingeniería del proyecto (3.5 %) = Supervisión (1.5 %) = Administración del proyecto (0.5 %) = Total:
Costo $12,909 $4,560 $6,455 $2,152 $23,924
IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido Tabla 4.40 Resumen de costos totales. Concepto Costo en pesos Equipo de producción $130,298.41 Equipo de Oficina $ 14,600.00 Equipo de ventas $147,839.00 Obra civil $137 564.10 Activo Diferido $23,924.00 $454,225.52 Subtotal: +5 % imprevistos $ 22, 711.28 Total: $476,936.79
IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización Los cargos de depreciación y amortización son los gastos virtuales permitidos por las leyes hacendarías para que el inversionista recupere la inversión inicial que ha realizado.
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Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido (pesos).
Equipo Maquinaria y Equipo Equipo de reparto Equipo y Mobiliario de Oficina Equipo de Computo Obra civil Inversión Diferida Subtotal:
Depreciaciones % de Depreciación * Valor real 1 - 3 año $130,298 10 13,029.84 $147,839 25 36,959.75 $5,000 10 500.00 $8,000 30 2,400.00 $137,564 5 6,878.21 $23,924 10 2,392.40 62,160.20 *Fuente: Ley de impuesto sobre la renta.
VS ($) 4 año
5 -10 año 13,029.84
0.00
500.00
0.00 0.00
13,029.84 36,959.75 500.00 800.00 6,878.21 2,392.40 60,560.20
0.00 0.00 6,878.21 68,782.05 2,392.40 0.00 22,800.45 68,782.05
IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo Activo Circulante. Para que la empresa tenga los primeros ingresos es necesario contar con un capital los cuales cubrirán los costos para adquirir los envases y demás (ver tabla 4.25). Por tanto consideramos indispensable adquirir los garrafones, envases, sellos, etiquetas que se usaran en el primer mes de labores; teniendo un monto total de $25 926.71. Pasivo Circulante. Este comprende los salarios e impuestos. Según Baca (2001) estos parámetros son difíciles de determinar; así mismo indica que las empresas bien administradas guardan una relación promedio entre activos circulantes (AC) y pasivos circulantes (PC) de: AC/PC = 2 a 2.5.
(4.15)
Como ya se conoce el valor del activo circulante que es de $25,926.71 y considerando un crédito con una relación de AC/AP =2, entonces el valor del PC tendrá un valor aproximado a: PC = AC/2 = $25 926.71/2 = $12 963.355.
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Como, el capital de trabajo es la diferencia entre el activo circulante y el pasivo circulante este ultimo tiene un valor de $12,963.355, correspondiendo al capital para iniciar a envasar la producción. Capital de Trabajo: $12 963.355.
IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima económica El punto de equilibrio nos indica el punto mínimo de producción al que debe operarse para no incurrir en las pérdidas (Baca,2001), y se calcula en forma gráfica y matemática con la siguiente expresión:
CF CV 1 PQ Donde: PE
(4.16)
PQ = es el producto del volumen vendido por su precio, CF = Costos fijos, CV = Costos variables. Para ello fue necesario desglosar los costos totales en Fijos y Variables que se muestran en la tabla 4.34. Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación. Concepto Materia prima y envases Otros materiales Consumo de energía eléctrica Mano de obra directa Combustible Mantenimiento Control de calidad Depreciación Gastos de Administración Gastos de ventas Total:
Fijos
Variables 76,515.98
1,530.94 7,506.21 27,347.63 1,080.48 1,744.47 1,576.08 62,160.20 61,010.45 18,322.00 $ 155,369.76 $ 103,424.7
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Resumiendo la tabla anterior. Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año. Concepto Costo ( en miles de pesos) Ingresos * $371,986.00 Costos totales $258,794.00 Costos Variables $103,424.70 Costos fijos $155,369.00 * Los ingresos corresponden a una producción del 73.58 %.
Sustituyendo valores en la ecuación 4.16.
PE
155,369.00 215,203.67 103,424.70 1 371,986.00
Como se puede observar con el 57.85 % de las ventas totales proyectadas se alcanza el punto de equilibrio. Ingresos y costos. miles de pesos
Beneficio Neto = 114,381 Ingreso
Punto de Equilibrio
Costo total = 258,795
214.94
Costos variables = 103,425
Costos fijos = 155,370
0
485.76
279.785 Unidad producida en m
3
Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción.
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IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación Partiendo de los estudios que se presentaron en la tabla 4.8 se presentan los ingresos para cada año correspondiente. Tabla 4.44 Ingresos por ventas. Año
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
$30/caja
$42/caja
0.5 litros
1.5 litros
65,043.00 67,983.30 71,217.63 74,775.39 78,688.93 78,688.93 78,688.93 78,688.93 78,688.93 78,688.93
17,837.82 19,621.60 21,583.76 23,742.14 26,116.35 26,116.35 26,116.35 26,116.35 26,116.35 26,116.35
$9.96/garrafón Monto total: $
289,105.00 315,369.23 344,259.88 352,204.81 352,204.81 352,204.81 352,204.81 352,204.81 352,204.81 352,204.81
371,985.82 402,974.13 437,061.27 450,722.34 457,010.09 457,010.09 457,010.09 457,010.09 457,010.09 457,010.09
IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable hasta el quinto año Este estado se forma con las cifras obtenidas en el año cero o antes de realizar la inversión. Además en los ingresos y costos no se considerá la inflación. Como la producción no es constante los flujos de efectivo tienen valores diferentes ya que algunos costos varían proporcionalmente con el nivel de producción y otros que no cambiarán independientemente de la producción, para tal análisis de resultados se realizá una clasificación de costos.
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Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. Concepto Otros materiales Mantenimiento Depreciación Control de calidad Costos de administración
Monto 1,530.94 1,744.47 62,160.20 1,576.08 61,010.45
Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.46. Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable (en pesos). Año 3 Producción /m + Ingresos - C. producción. - C. Administración - C. ventas - C. equipamiento =UAI - Impuestos 44% * = UDI + Depreciación = FNE * Impuesto sobre
8 1 2 3 4 5 6,7,9,10 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44 593.44 371,985.82 402,974.13 437,061.27 450,722.34 457,010.09 457,010.09 457,010.09 179,461.97 183,486.00 187,912.43 189,924.77 155,677.80 155,677.80 155,677.80 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10,260.00 113,191.39 140,155.68 169,816.39 181,465.12 221,999.84 221,999.84 211,739.84 49,804.21 61,668.50 74,719.21 79,844.65 97,679.93 97,679.93 93,165.53 63,387.18 78,487.18 95,097.18 101,620.47 124,319.91 124,319.91 118,574.31 62,160.20 62,160.20 62,160.20 60,560.20 22,800.45 22,800.45 22,800.45 125,547.38 140,647.38 157,257.38 162,180.66 147,120.36 147,120.36 141,374.76 la renta 34% (ISR) más participación de los trabajadores en las utilidades 10%
(PTU).
La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.47. Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido.
Año 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
FNE 125,547.38 140,647.38 157,257.38 162,180.66 147,120.36 147,120.36 147,120.36 147,120.36 147,120.36 147,120.36
Pago a Activos 454,225.52 328,678.14 188,030.77 30,773.39 -131,407.27 -278,527.63 -425,647.99 572,768.35 719,888.71 867,009.07 1,014,129.43
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Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3.2 años. Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón. año 1 2 3 4 5
Ingreso /día 634.08 710.34 794.23 819.09 743.03
año 6 7 8 9 10
Ingreso /día 743.03 743.03 743.03 743.03 743.03
IV.6.5 Evaluación económica IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin inflación. La tasa interna de retorno (TIR) se define como la i que hace que la suma de los flujos descontados sea igual a la inversión inicial y el valor presente neto (VPN) es el valor monetario que resulta de restar la suma de los flujos descontados a la inversión inicial. Según Baca (2001) en la operación práctica de una empresa se da el caso de que exista en un determinado periodo una perdida. En tal situación recomienda no usar la TIR como método de evaluación y usar el VPN. De acuerdo a a tabla 4.46 no se presenta alguna condición parecida a la condicion que se señala en la literatura, por tal analizaremos ambas cuestiones de VPN y TIR. Con los FNE obtenidos en la tabla 4.46, se construye el siguiente diagrama de flujo (Figura 4.17).
0
125,547
140,647
157,257
162,181
147,120
141,375
147,120
147,120
1
2
3
4
5 ... 7
8
9
10
+ 68,782.05
454,225.52
Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable.
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Con una TMAR = 8.9% (cetes a 28 dias) + 4 % de riesgo se calcula el VPN y la TIR con la siguiente expresion:
VPN P
FNE10 VS FNE1 FNE 2 ...... 1 2 (1 i) (1 i) (1 i)10
(4.17)
Donde: P = es la inversión total. FNE = Flujos netos de efectivo para cada año. VS = es el valor de salvamento del equipo en él ultimo año de vida de la planta. Sustituyendo los valores en la ecuación 4.16 se tiene: VPN 454,225.52
126,214 141,374 158,051 162,992 147,932 142,186 147,932 147,932 68,782.05 (1.129)1 (1.129)2 (1.129)3 (1.129)4 (1.129)5...7 (1.129)8 (1.129)9 (1.129)10
VPN = $ 357,679.44 Este valor representa las ganancias que se obtienen a lo largo de los diez años de estudio con una TMAR de 12.9 %. Mientras el VPN se acerque más a tasa cero indica que sólo sé esta ganando la tasa de descuento aplicada. Ahora se calcula la Tara Interna de Retorno (TIR), haciendo el VPN = 0, dejando como incógnitas la i y se acepta hasta satisfacer la igualdad de esta, conociendo el rendimiento real de esa inversión. Por tanto el valor de la TIR resulta: 0 454,225.52
126,214 141,374 158,051 162,992 147,932 142,186 147,932 147,932 68,782.05 (1.129)1 (1.129)2 (1.129)3 (1.129)4 (1.129)5...7 (1.129)8 (1.129)9 (1.129)10
TIR = 29.56 %. Como el VPN > 0 indica que el proyecto genera ingresos y el indicardor TIR > TMAR (12.9 %), lo cual muestra que el proyecto es redituable.
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IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma Chapingo En este apartado trataremos algunos costos que la universidad cubre por actividad diaria como es el caso de bombeo de la materia prima, salario de la administración de la empresa, puediendo realizarlo el patronato, los costos de activos fijos de oficina y ventas, no se toman ya que hay almacenes con muebles en buen estado, en el caso de ventas no-se adquirira la camioneta y solo se tomara una en buen estado para el reparto; Respecto a la obra civil se debe tomar la depreciación y el valor de salvamento ya que al finalizar la vida de la planta no-se podra vender por ser construida en el terreno que es patrimonio de la nación, pero se debe garantizar que la inversión se recuperara; Él construirla fuera representaria costos elevados por el terreno, ademas de permisos de construcción, compra de la materia prima y costos por vigilancia. Con todos los puntos anteriormente tratados los costos por depreciación, producción total y el costo unitario se ven más faborable para dejar en desventaja a otras marcas. Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH.
Concepto Materia prima y enbases Otros materiales Consumo de Energia electrica Costos de mano de ibra directa Combustible Mantenimiento Cosos de control de calidad Depreciación y amortización. Costo de producción = Gastos de administración Gastos de ventas costo total de operación de la planta
Costos originales ($) 76,515.98 1,530.94 7,506.21 27,347.63 1,080.48 1,744.47 1,576.08 62,160.20 179,461.97 61,010.45 18,322.00 258,794.42
Costos cubiertos ($) Costos reales ($) 1,272.45 75,243.53 1,530.94 7,506.21 27,347.63 1,080.48 1,744.47 1,576.08 40,590.73 21,569.47 137,598.80 23,988.50 37,021.95 18,322.00 192,942.75
532.76 10.122 12.15
397.20 7.55 9.06
3
Costo unitario / m costos por garrafon (19 lts) Precio al publico (21.5 % de ganancia)
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Continuación.. Inversion total de activo fijo y diferido Activo fijo de producción 130,298.41 Activo fijo de oficina y ventas 162,439.00 162,439.00 Obra civil 137,564.10 Activo diferido 23,924.01 Total: 454,225.52
130,298.41 0.00 137,564.10 16,614.26 284,476.76
Determinacción del punto de Equilibrio Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación. Concepto Materia prima y envases Otros materiales Consumo de energía eléctrica Mano de obra directa Combustible Mantenimiento Control de calidad Depreciacion Gastos de Administracion Gastos de ventas Total:
Cf = $ CV= $ Totales = $ Ingresos = $
Fijos
Variables 75,243.53 1,530.94 7,506.21
27,347.60 1,080.48 1,744.47 1,576.08 21,569.47 37,021.95 $ 90,790.51
18,322.00 $ 102,152.2
90,791 102,152 192,943 298,460
Sustituyendo valores en la ecuación 4.16 se tiene: PE = $ 138,034.86 Lo cual indica que con solo el 46.25 % de las ventas totales proyectadas se alcanza el punto de equilibrio.
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Determinación de los ingresos por ventas sin inflación. Tabla 4.51 Ingresos por ventas. Ingreso total $
Año 1 2 3 4 5
Ingreso total $
Año
298,460.35 322,769.12 349,508.76 361,149.27 367,437.02
6 7 8 9 10
367,437.02 367,437.02 367,437.02 367,437.02 367,437.02
Estado de resultados sin inflación, con producción variable hasta el quinto año. Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. Concepto Otros materiales Mantenimiento Depreciación Control de calidad Costos de administración
Monto 1,530.94 1,744.47 21,569.47 1,576.08 37,021.95
Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.53. Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación,con producción variable (en pesos). Año 3 Producción /m + Ingresos - C. producción. - C. Administración - C. ventas - C. equipamiento =UAI - Impuestos 47 % = UDI + Depreciación = FNE
1
2
3
4
5,6,7,9,10 593.44
8
485.76
528.77
576.09
590.86
298,460.35
322,769.12
349,508.76
361,149.27
367,437.02 367,437.02
593.44
137,598.78
141,622.81
146,049.24
149,661.58
153,174.35 153,174.35
37,021.95
37,021.95
37,021.95
37,021.95
37,021.95
37,021.95
18,322.00
18,322.00
18,322.00
18,322.00
18,322.00
18,322.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
10,260.00
105,517.62
125,802.36
148,115.57
156,143.74
46,427.75
55,353.04
65,170.85
68,703.24
69,924.23
65,409.83
59,089.87
70,449.32
82,944.72
87,440.49
88,994.48
83,248.88
21,569.47
21,569.47
21,569.47
21,569.47
21,569.47
21,569.47
80,659.34
92,018.79
104,514.19
109,009.96
158,918.71 148,658.71
110,563.95 104,818.35
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La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.54. Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido. Año 0 1 2 3 4 5
Ingresos
FNE 284,476.76 203,817.43 111,798.63 7,284.44 -101,725.52 -212,289.48
80659.34 92018.79 104514.19 109009.96 110563.95
Año 6 7 8 9 10
Ingresos 110,563.95 110,563.95 110,563.95 110,563.95 110,563.95
FNE 322,853.43 433,417.38 543,981.33 654,545.28 765,109.23
Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3 años. Evaluación Económica. Calculo del VPN y la TIR con una producción Variable, sin inflación y sin financiamiento. Con los FNE obtenidos en la tabla 4.53, se construye el siguiente diagrama de flujo (Figura 4.18).
80,659.34
92,018.79
104,514.19
109,009.96
110,563.95
104,818.35
110,563.95
1
2
3
4
5..7
8
9
0
110,563.95 + 68782.05
10
284,476.76
Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH).
Con una TMAR = 8.9 (cetes a 28 dias, Febrero, 2003) + 4% al riesgo. Sustituyendo los FNE del cuadro 4.55 en la expresión 4.16 se tiene: VPN = $ 289,944.12 TIR = 32.82 % Como el VPN > 0 y la TIR = 32.82 % > TMAR = 12.9 %, indica que el proyecto es redituable.
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V. Resultados y Discución Del análisis económico sin inflación y una producción variable hasta el quinto año y a los costos de producción se propone un precio de venta de $9.06/garrafón, $42/caja de 1.5 litros y $30/caja de 0.5 litros de agua purificada, teniendo un VPN (i de 8.9 equivalentes a cetes a 28 días y un 4 % al riesgo) de $ 289,944.12 lo cual indica que el proyecto es viable, además la TIR > TMAR lográndose pagar la inversión total de activos en el tercer año de instalada la planta. Por otra parte cuando hay una independencia en pagos de administración, mobiliario de oficina y ventas, se tiene un VPN de $ 357,679.44 y una TIR de 29.56% mayor a 12.9 % de la TMAR, lo que indica que el proyecto es viable. La revisión de literatura coincidió con el estudio del equipo que se ofrece en el mercado para formar el tren de tratamiento terciario, resultando: Filtración. El agua presenta una turbiedad menor a 1 ppm de sílice, haciéndola transparente a cuatro metros de profundidad y como el material del sistema es de 10 micras se logra tener un agua que aumentara la eficiencia del carbón activado y del intercambiador. Carbón Activado. Si bien el agua no tiene sabor y olor que sea detectable al consumir, con este sistema se garantizara la eliminación de estos. Intercambio iónico. Como el agua tiene una dureza de 135 mg/l de CaCO 3 se considera dura y requiere este sistema mediante el ciclo de sodio para ablandar el agua a menos de 94.5 mg/l de CaCO3 (30 % de eficiencia), aumentando el sodio a 2Na+ respecto a la original de 65.1 mg/l. Además este proceso ayuda a que la membrana de osmosis no se sature con mayor facilidad. Osmosis inversa. El agua tiene una concentración de SDT de 356 mg/l, una concentración mayor de 65.1 mg/l de sodio, siendo importante la reducción este último, ya que algunas personas con problemas cardiacos, renales y circulatorios requieren dietas bajas de este metal. Como el sistema tiene una eficiencia del 90 % en la
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eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos los SDT quedaran en 64.4 mg/l y el sodio entre 5 - 15 mg/l aproximadamente. Radiación ultravioleta. De acuerdo al análisis microbiológico del agua no se detectaron Coliformes Fecales y Totales. Como el sistema funciona con una dosis de 30,000 µws / cm3 y una eficiencia del 99 %, evita la proliferación o la transmisión de alguna enfermedad por la vía líquida. Ozono. Este sistema de tratamiento tiene la misma función que el anterior y se propone utilizarlo para darle un sabor agradable al producto, así como preservar la calidad bacteriológica y mayor vida de anaquel. El sistema funciona con una dosis de 1 gr/h de O3, ahora tomando en cuenta que con un gramo de ozono se puede tratar 25 metros cúbicos de agua, y a la producción diaria de 3.36 m 3 de agua purificada el sistema solo aplicara 0.1344 gr de O3 en un tiempo de 8 minutos. El agua como tal (sin tratamiento) por su naturaleza está dentro de los parámetros que la NOM-041 establece, sin embargo comparándola con las marcas que tienen fuerte liderazgo en la preferencia del consumidor, el agua de la UACH entra en desventaja, pues tiene un exceso de carbonatos, que hacen necesario su tratamiento con el sistema seleccionado y de esa manera sé obtendrá un agua purificada con calidad para el mercado nacional e internacional. Con el estudio de mercado y a la demanda que se tiene actualmente se proyecto una necesidad del producto para los próximos 10 años de vida de la planta, la cual iniciara con una producción del 73.58 % que equivale vender semanalmente 600 garrafones de 19 litros, 11 cajas de 1.5 litros y 55 cajas de 0.5 litros para posteriormente tener una capacidad máxima de 732 garrafones, 16 cajas de 1.5 litros y 66 cajas de 0.5 litros semanalmente. La conformación del sistema de tratamientos terciarios reúne los equipos que actualmente se presentan como uno de los más avanzados en este ramo, además serviria para concientizar a la población universitaria que será parte de proyectos del futuro, para que conozcan las instalaciones o bien realizar prácticas y estudios para estar al día.
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VI. Conclusiones 1. Es factible proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado y obtener agua purificada embotellada, cuya fuente es un pozo de la Universidad Autónoma Chapingo. 2. El proyecto es factible de acuerdo a las variables financieras. 3. La calidad del agua tratada supera a las del mercado que abastece a la UACH. 4. La mejor alternativa de tratamiento de purificación del agua es la secuencia: filtración – carbón activado - intercambio iónico - osmosis inversa - radiación ultravioleta y ozonización. 5. En cuanto a los parámetros de calidad del agua, después del tratamiento de purificación cumplen con la norma nacional NOM - 041, e internacional IBWA. 6. Con la utilización de ósmosis inversa se reduce los compuestos inorgánicos y orgánicos presentes en el agua con una efectividad del 90 %. 7. La lámpara de rayos ultravileta elimina el 99 % de los patógenos presentes en el agua; la aplicación de ozono al agua garantiza preservar la calidad bacteriológica y da mayor vida de anaquel. 8. El intercambio iónico sustituye los iones que causan la dureza (Ca, Mg), por el sodio contenido en la resina; el carbón activado absorve los elementos y materia orgánica que causan el mal sabor y olor del agua y la filtración retiene los sedimentos contenidos en el agua. 9. El tren de tratamiento terciario avanzado tendrá una producción que abastecerá eficientemente la demanda de la Universidad. 10. El equipo tendría utilidad extraordinaria en docencia.
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VIII. Anexos Anexo 1.Control de Calidad del Producto Normas de Calidad Aplicada al Agua Purificada México cuenta con dos principales certificadoras, NORMEX y CANACINTRA que avalan la calidad de los empresarios mexicanos, que se dedican a la producción de productos envasados. A partir de 1993, el proceso de normalización es un proceso obligatorio para las aguas purificadas y envasadas. Las normas que regulan la fabricación del agua purificada y de Garrafón son: Asociación Mexicana de la Normalización y Certificación, S.C (NORMEX). Asociación Internacional de Agua Embotellada (IBWA). De manera general el agua que ha sido sometida a un tratamiento físico o químico que se encuentra libre de agentes infecciosos, cuya ingestión no causa efectos nocivos a la salud y para su comercialización se presenta en botellones u otros envases con cierre hermético puede estar certificada por alguna institución de prestigio en el ramo. NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-041-SSA1-1993, BIENES Y SERVICIOS. AGUA PURIFICADA ENVASADA. ESPECIFICACIONES SANITARIAS. Objetivo y campo de aplicación. Esta Norma Oficial Mexicana establece las especificaciones sanitarias del agua purificada envasada. Es de observancia obligatoria en el Territorio Nacional para las personas físicas o morales que se dedican a su proceso o importación. Referencias. Esta norma se complementa con lo siguiente: NOM-031-SSA1-1993 Productos refrigerados y congelados.
de
la
pesca.
Moluscos
bivalvos
frescos-
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Especificaciones sanitarias. NOM-051-SCFI-1994 NOM-092-SSA1-1994 NOM-109-SSA1-1994 NOM-110-SSA1-1994 NOM-112-SSA1-1994
Especificaciones generales de etiquetado para alimentos y bebidas no alcohólicas preenvasados. Método para la cuenta de bacterias aerobias en placa.* Procedimientos para la toma, manejo y transporte de muestras de alimentos para su análisis microbiológico.* Preparación y dilución de muestras de alimentos para su análisis microbiológico.* Determinación de bacterias coliformes. Técnica del número más probable.*
NOM-117-SSA1-1994
Método de prueba para la determinación de cadmio, arsénico, plomo, estaño, cobre, fierro, zinc, y mercurio en alimentos, agua potable y agua purificada por absorción atómica.*
NOM-120-SSA1-1994
Buenas prácticas de higiene y sanidad para bienes y servicios.* Agua para uso y consumo humano. *Proyecto en proceso de expedición como Norma Oficial Mexicana.
NOM-127-SSA1-1994
Cuando en la presente norma se mencione al Reglamento, debe entenderse que se trata del Reglamento de la Ley General de Salud en Materia de Control Sanitario de Actividades, Establecimientos, Productos y Servicios. Disposiciones sanitarias. El producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo establecido en el Reglamento, debe ajustarse a las siguientes disposiciones: La fuente de abastecimiento de agua debe sujetarse a las disposiciones establecidas en el Reglamento. El lavado y desinfección de envases, debe realizarse con soluciones sanitizantes que no alteren o cedan sustancias que modifiquen las características del producto y evitando la contaminación por el arrastre de las mismas.
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Tesis Profesional
Las plantas purificadoras de agua deben estar diseñadas y establecidas en instalaciones que permitan efectuar correctamente las buenas prácticas de fabricación. En las plantas purificadoras de agua se deben llevar registros de las pruebas efectuadas a la materia prima (agua), producto en proceso, producto terminado, lavado de envases, mantenimiento sanitario del equipo, líneas de producción, accesorios y número de lote asignado al producto, los cuales deben conservarse por un año a disposición de la autoridad sanitaria. Especificaciones sanitarias El producto objeto de este ordenamiento, debe cumplir con las siguientes especificaciones: Organolépticas y físicas Olor
Inodoro
Sabor Insípido Límite Máximo. Color
15 Unidades de color verdadero* en la escala de platino-cobalto.
Turbiedad
5 Unidades de UTN.
* Únicamente el producido por sólidos disueltos en el agua. Fisicoquímicas Ph
6,5 - 8,5
Características
Límite Máximo mg/l
Alcalinidad total CaCO3
300.00
Aluminio Arsénico Bario Cadmio Cianuros como CN Cloro residual libre después de un tiempo de contacto mínimo de 30 min. Cloruros como Cl Cobre Cromo total
0.2 0.05 0.70 0.005 0.05 0.10 250.00 1.00 0.05
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Tesis Profesional Dureza total como CaCO3 Fenoles o compuestos fenólicos Fierro Fluoruros como F Manganeso Mercurio Nitratos como N Nitritos como N Nitrógeno amoniacal como N Nitrógeno orgánico total como N Oxígeno consumido en medio ácido Ozono al envasar Plata Plomo Sólidos disueltos totales = Sulfatos como SO4 Sustancias activas al azul de metileno Trihalometanos totales Zinc
200.00 0.001 0.30 0.70 0.05 0.001 10 0.050 0.50 0.10 2.00 0.40 0.05 0.02 500.00 250.00 0.50 0.10 3.00
Microbiológicas Límite Máximo Mesofílicos aerobios UFC/ml Coliformes totales* NMP/100 ml Coliformes totales** UFC/100 ml Vibrio cholerae***
100 no detectable cero Negativo
* Técnica de número más probable. ** Método de filtración por membrana. *** Bajo situaciones de emergencia sanitaria la Secretaría de Salud, sin perjuicio de las atribuciones de otras Dependencias del Ejecutivo establecerá los casos en los que se habrá de determinar la presencia de este agente biológico.
Muestreo. El procedimiento de muestreo del producto objeto de esta norma debe sujetarse a lo que establece la Ley General de Salud. Métodos de prueba. Se deben aplicar los métodos de prueba señalados en el apartado de referencias. Para la determinación de las especificaciones físicas, químicas y de plaguicidas se deben aplicar los métodos establecidos en el apéndice normativo A de esta norma. Para la determinación de aluminio, bario, cromo, manganeso y plata se debe aplicar el método de prueba establecido en la NOM-117-SSA1-1994. La
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Tesis Profesional
determinación de Vibrio cholerae, se efectuará con el método contemplado en la Norma Oficial Mexicana NOM-031-SSA1-1993. Moluscos bivalvos frescos-refrigerados y congelados. Especificaciones sanitarias; la preparación de la muestra se establece en el apéndice normativo B. Para la determinación de coliformes totales por filtración por membrana se debe aplicar el método establecido en el apéndice normativo B. Además de los métodos señalados en el apartado de referencias y los incluidos en el apéndice normativo A y B de esta norma, existen métodos alternos validados para la determinación de las especificaciones de cada parámetro que pueden ser utilizados para el aseguramiento de calidad del producto. Etiquetado. La etiqueta del producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo establecido en el Reglamento y la Norma Oficial. Debe figurar el número o clave del lote de producción. Envase y embalaje. Este producto debe envasar en recipientes de tipo sanitario que tengan tapa inviolable o sello o banda de garantía, elaborados con materiales inocuos y resistentes a distintas etapas del proceso, de tal manera que no reaccionen con el producto o alteren sus características físicas, químicas y organolépticas. Se deben usar envolturas de material resistente que ofrezcan la protección adecuada a los envases para impedir su deterioro exterior, a la vez que faciliten su manipulación, almacenamiento y distribución. Normas de la International Bottled Water Association (IBWA). NORMAS IBWA. La industria del agua embotellada, normalmente emplea medidas adicionales para mayor protección de su producto empezando desde la fuente hasta el empaque. Estos requerimientos vienen escritos en el código de modelo IBWA. Los miembros de la IBWA son convocados para pasar por una inspección de planta improvisada; estas inspecciones son conducidas por una organización de tercer parte y hacen cumplir con todas las regulaciones aplicables. La IBWA actualmente contrata los servicios de la Fundación Internacional de Saneamiento, una auditoria técnica independiente altamente calificada y una firma de acuerdo para ejecutar estas auditorias otorgadas. A continuación se listan las reglas de la IBWA
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Regla1: Buenas prácticas de fabricación y requerimientos operacionales. Cuando una planta de agua embotellada, utiliza una tecnología en el tratamiento de agua para reducir el nivel de cualquier constituyente por debajo de las normas de la FDA para prevenir que un contaminante importante entre en el agua producto, exceda las normas de calidad de la FDA serán adecuadamente mantenidas con el apoyo de un informe, en acuerdo con los requerimientos y la programación de un plan de las operaciones y mantenimiento. Normas de control Microbiológico. La producción de agua embotellada, incluye transportación, procesamiento, envasado y almacenamiento, se conduciría con tales condiciones y controlada como sea necesaria para minimizar la contaminación microbiológica potencial del producto final. Estas condiciones incluirían: 1. El agua embotellada se someterá a un tratamiento germicida efectivo por ozonización o carbonación en un mínimo de 3 volúmenes de bióxido de carbono u otra desinfección equivalente aprobada por el estado excepto aquellos por filtración y tratamientos germicidas no se aplicarán por una excepción. 2. Podría permitirse una suspensión únicamente demostrando que: 1). Dicho producto y la fuente están en cumplimiento con la norma Codees Alimentarius para agua mineral natural. 2).
La embotelladora tiene que someterse a una inspección básica hidrogeológica de la fuente y a una inspección anual sanitaria, preparado por un hidrogeologista profesional calificado demostrando la pereza de la fuente:
a). El punto crítico de vigilancia consiste de una inspección de porciones del área de drenaje, necesaria para identificar y una actual y probable fuente de contaminación. b). Evaluación de construcción y protección de fuentes, lugar apropiado, estructuras de entrada y facilidades de transmisión. c). La evaluación de las instalaciones de almacenaje del agua producto. d). La verificación continua de la fuente y el producto se demuestra: 1) por un oficial ejecutada una vez cada 2 meses por las autoridades que tienen jurisdicción; 2) por una prueba microbiológica semanalmente.
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Tesis Profesional
e). Dicho producto es envasado en una cámara o cuarto de llenado que está bajo presión positiva de aire filtrado. f). El agua embotellada que no cumple con cualquiera de los requerimientos de arriba, estará sujeta a los requerimientos de tratamiento de filtración y desinfección. Esta sección aplica el manejo de agua suelta. Se refiere al agua tratada para usos potables, transportada vía pipa o medios equivalentes de un área a otra para propósitos de tratamiento, empaque y consumo humano. Las pipas, tanque de almacenamiento, mangueras, bombas y conexiones usadas para la carga, transporte y descarga del agua suelta serán construidos de materiales que son del grado comestible FDA, suaves, no absorbente y fácilmente limpiable tales como el acero inoxidable (serie 300). Los camiones que son usados, sean exclusivamente dedicados para el transporte de agua suelta. Los camiones serán limpiados, saneados e inspeccionados internamente para la integridad del camión sobre una rutina fundamental. Las mangueras y bombas empleadas para la carga y descarga del agua serán cuidadas y almacenadas para prevenir contaminación. Si es requerida por la agencia estatal que tiene jurisdicción local, el volumen de agua a enviar antes de que éste sea enviado, deberá ser tratado con un desinfectante efectivo. Muestras representativas serán tomadas de envíos de agua para análisis de bacteria coliforme y heterotrophic plate count (HPC). La frecuencia mínima de muestreo será una muestra de cada camión semanalmente. Equipos multicomestibles.- El agua embotellada podría ser procesada a través de líneas o equipos usados también para otro producto comestible bajo las siguientes condiciones: i) Las líneas de proceso, incluyendo carros de almacenamiento y equipo asociado, serán exclusivamente para la producción de agua embotellada, excepto para el equipo de llenado, podría ser usado también para llenado de otros productos comestibles. ii) Antes de ser utilizado para embotellamiento del agua, será limpiado e higienizado a fondo con las especificaciones del fabricante. iii) Inmediatamente terminada la operación de llenado para otros productos diferentes del agua, el llenador será perfectamente enjuagado interiormente y exteriormente con agua potable.
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Tesis Profesional
iv) Algunas partes que no están diseñadas para ser limpiadas en su sitio serán desarmadas y removidas. Todas estas partes serán limpiadas e higienizadas antes de reensamblarlas usando apropiadamente los procedimientos de limpieza e higiene. v) Todas las superficies de llenado que no contacten con el producto serán limpiadas manualmente. vi) En cumplimiento con las instrucciones de llenado del fabricante la forma para limpiar el llenador será: a) Una solución limpiadora alcalina de cantidad apropiada será recirculada directo en el llenador para proporcionar limpieza efectiva para todas las superficies en contacto con el producto, con una recirculación mínima con un tiempo de 20 minutos a una temperatura entre 140-170°F. b) La solución será drenada y seguida con un enjuague de agua potable para la eliminación de todo residuo limpiador alcalino. Este paso se completa por la aplicación de un enjuague acidificado antes de un enjuague de agua potable con el objetivo de neutralizar cualquier residuo alcalino. c) Sigue reensamble de todas las partes del llenador, durante la colocación el llenador será sanitizado. d) Cualquier alternativa de limpieza, u operaciones de higienización no descritos en esta sección serán de acuerdo a los requisitos de la FDA. e) El agua embotellada que se origina de una fuente, la cual no está protegida de una contaminación superficial se someterá a ozonización, filtración a razón de una micra, u otro proceso efectivo, el cual destruya los quistes de Giardia lamblia y Cryptosporidium. f) Un monitoreo de coliformes totales realizado diariamente por la planta sobre el producto final y pruebas trimestrales de enjuague y restregado, sobre recipientes o contenedores entrantes y finales. g) Con el objetivo de facilitar la identificación o remisión en el producto incluirá un código designado el que será añadido al recipiente durante su uso y que contenga cualquiera de los dos datos de fabricación: el lote o número de remesa. h) Si un proveedor de agua embotellada se da cuenta que ha excedido la norma de calidad no incluyendo los límites de contaminantes a la fuente, derrames, accidentes, desastres naturales o descomposturas en tratamiento, lo notificará al departamento rápidamente. i) Si el departamento determina, basado sobre muestras representativas de análisis de riesgos, información disponible para el departamento, el departamento
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podría ordenar al proveedor que modifique el producto rechazado y de ser necesario se emitirá una forma de notificación a los clientes. El proveedor será responsable de la diseminación de la noticia en una forma para informar a los clientes que podrían ser afectados por el problema. j) Si la norma de calidad ha sido excedida, indica que la violación de la norma ha sido rápidamente corregido y ese producto ya distribuido no causará enfermedad y no presenta riesgos de salud significativos, el departamento podría ordenar al embotellados comunicar el excedente de la norma y la implementación de medidas correctivas por envío directo a los clientes afectados. k) Para propósitos de quejas las siguientes provisiones son aplicables: l) No requiere que la identificación o localidad del manantial aparezca en la etiqueta. m) Ninguna persona operará una planta para propósitos de venta o distribución sin obtener primeramente un permiso que demuestre que la fuente, instalaciones de embotellamiento, prácticas de tratamiento y envasado y un agua como producto final cumpla con los requerimientos de estas leyes y regulaciones adoptadas bajo entendimiento. El departamento por regulación podría establecer honorarios razonables para la aplicación de un permiso, el cual será basado sobre el costo del proceso de aplicación. 1) Para agua embotellada importada, las muestras requeridas incluirán una certificación en su país de origen que: a) describe los requerimientos de dicho país para la fuente, instalaciones de embotellamiento, tratamiento, prácticas de embotellamiento y para el agua como producto final; b) estado de la fecha de la última inspección oficialmente autorizada por el departamento; y c) certifica que la fuente, instalaciones, prácticas de tratamiento, embotellado y el producto de agua cumpla con los estándares de la ciudad, país de origen. 2) Como condición de recibir un permiso anualmente, el embotellador recibirá una inspección de planta, demostrando cumplimiento con las buenas prácticas de manufactura y requerimientos operacionales de está ley. n) La planta operará bajo la supervisión de una persona calificada competente por experiencia, educación y entrenamiento para operar y mantener las instalaciones de la planta. Dicha persona mantendrá un certificado; demostrando que ha completado satisfactoriamente un curso de entrenamiento técnico, desarrollado y administrado por el departamento, que cubre la prueba e instrucción periódica en la
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planta, fuente y sanidad del producto, operación y mantenimiento del tratamiento tecnológico de agua y el mantenimiento, monitoreo de la fuente y el producto de agua de calidad en concordancia con estos estándares. Regla 2: Monitoreo del Agua. La aprobación de la fuente, debe estar basada sobre una inspección constante de la fuente de un hidrogeologista calificado procesionalmente que demostrará la integridad de la fuente y seguridad de las operaciones de recepción o captación, y que incluirá: 1. - Una evaluación de las características químicas, físicas, microbiológicas y radiológicas de la fuente. 2. - Un informe de especificaciones de la geología del lugar y sus alrededores. La información será utilizada para definir el área de recarga del acuífero. 3. - Un informe que detalle el desarrollo de la fuente; método de construcción incluyendo el diseño del manantial, buena instalación, superficie de captación e instalaciones de transmisión apropiadas. 4. - Una inspección de la cuenca que identifique y evalúe fuentes actuales de contaminación potencial, y que serán actualizadas cada 3 años. 5. - La planta realizará un monitoreo especial de cualquier contaminante significante y pueda tomar medidas preventivas, restrictivas y correctivas que sean apropiadas para proteger la fuente de agua. El operario de la planta será responsable para la toma de muestra y análisis de todas las fuentes. Tal muestreo será una vez anual, excepto el análisis de contaminantes microbiológicos será semanalmente. Cuando un contaminante esté presente en la fuente a causa de un derramamiento, liberación de una sustancia peligrosa, el operario de la planta monitoreará la fuente por dicho contaminante. La detección de contaminantes será acompañada inmediatamente por un programa de monitoreo periódico para confirmar la presencia de dichos contaminantes. Si tales contaminantes son confirmados se emplearán las técnicas de tratamiento apropiado para remover o reducir dicho contaminante, y empleará un programa de monitoreo periódico, hasta que este contaminante no sea detectado en la fuente. Los análisis y el muestreo microbiológico realizados diariamente serán ejecutados por personal calificado. Todos los análisis químicos requeridos serán ejecutados por un laboratorio aprobado. Los registros de análisis o muestreos serán mantenidos en la planta por 5 años.
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Regla 3: Monitoreo del producto final. El producto se monitorea usando una muestra representativa derivada del producto embotellado: Para coliformes totales, se analiza diariamente una muestra representativa de un segmento de la producción continua de cada tipo de agua embotellada producida por la planta.
Para análisis químicos, físicos y de contaminantes radiológicos, anualmente se toma una muestra representativa. Para análisis microbiológicos, la muestra, debe ser tomada por un laboratorio calificado, al menos una vez por semana. Las muestras diarias para muestreo microbiológico deben ser realizados por el personal calificado de la planta. Los análisis químicos deben ser realizados por un laboratorio certificado. Los registros de muestras deben ser mantenidos en la planta no menos de 5 años. Regla 4:Requerimentos de etiquetado. Está sujeta a todas las provisiones aplicables: Si el contenido TDS es menor a 500 ppm o si es mayor a 1500 ppm, se le pondrá la leyenda "CONTENIDO BAJO DE MINERALES" o "CONTENIDO ALTO EN MINERALES‖, el cual aparecerá en la etiqueta principal seguido de la
identificación del tipo de tamaño. Si el TDS del agua mineral está entre 500 y 1500 ppm, no necesita aparecer en la etiqueta. Cuando provenga del sistema comunitario, estará etiquetada con la leyenda "DEL SISTEMA COMUNITARIO DE AGUA" o alternativamente "DE LA FUENTE MUNICIPAL», sin intervención de escrituras, dibujos u otras formas gráficas, para esta sección, el tipo de tamaño no será menor a (1/16"). Cuando implique referencias para su uso en alimentos infantiles, la etiqueta llevará la leyenda "NO ESTERIL, PARA USO DIRECTO O PARA USO DE FORMULA INFANTIL".
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Lo siguiente es a criterio del panel de factores nutricionales: Cuando la calidad del agua embotellada sea menor a la prescrita en CFR, la etiqueta portará la siguiente leyenda de calidad: "CONTENIDO EXCESIVO DE BACTERIAS‖. Si talla en los requerimientos del CFR. "TURBIDEZ EXCESIVA», si el agua embotellada calla en los requerimientos. ―CONTIENE EXCESO‖ en el espacio en blanco se coloca el nombre del químico. Valores de contaminantes secundarios del agua para beber. Componentes Inorgánicos
Nivel de Contaminantes (mg/l) ppm
Antimonio Arsénico Bario Cloruros Cloro Cromo FDA NIVEL: Cobre Cianuro FDA NIVEL: Hierro Plomo Manganeso Mercurio Nitrato Nitritos Total de Nitratos + Nitritos Selenio Plata Sulfatos Talio TDS Zinc
0.0066 0.050 1.00 250.0 < 0.10 0.050 1.0 mg/l 1.0 0.10 0.2 mg/l 0.3 0.005 0.05 0.001 10.00 1.00 10.000 0.010 0.025 250.0 0.0022 500 0 5.0
Nota: Estos valores fueron obtenidos de la revisión más actual del Mode Code del IBWA, Enero del 2002.
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Calidad exigida en los requerimientos técnicos de la materia prima y producto terminado. Apariencia: El producto será en la presentación de garrafón, envase retornable, con tapas de plástico rojo e impreso el nombre de la empresa. La tapa debe ser inviolable, elaborado de materiales inocuos y resistan a distintas etapas del proceso de tal manera que no reaccionen con el producto o alteren sus características físicas, químicas y organolépticas. Características de la metería prima: El agua será abastecida de la red municipal; el envase será de acuerdo a las normas nacionales e internacionales que seguirá la empresa; dada su presentación, será de un envase de plástico de PVC de primera clase (material resistente, no produce sustancias tóxicas, ni altera las características del agua), el cual debe llevar tapa inviolable y sello de garantía.
Evaluación de la Calidad del Agua Purificada Para la evaluación de la calidad del Agua purificada se requiere de ciertos análisis previos de la fuente de abastecimiento. Algunos de ellos son:
Determinación de Cloro residual Determinación de cloruros. Determinación de Color. Determinación de Turbiedad (Método Nefelométrico). Determinación del pH. Determinación de la Acidez o alcalinidad total. Determinación de la Dureza total. Determinación de los sólidos disueltos totales. Determinación de fluoruros (Método electrodo del ión selectivo). Otros.
Estas son algunas de las determinaciones que se tiene que hacer; el fundamento de estas y otras se detallan en la parte de Parámetros de Calidad de las Aguas. Para que el agua purificada se a aceptada para el consumo, los resultado del análisis de agua que ha pasado por el tren de tratamiento terciario debe cumplir con las especificaciones de la NOM-041, NOM-127 y además de compararla con lo que
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establece la FDA (Administración Federal del Medicamento) las cuales son requisitos indispensables para que el producto sea consumido. Algunas de las especificaciones se indican en el cuadro 8.1. Tabla 8.1 Límites permitidos de algunas determinaciones. PARAMETRO Acidez o alcalinidad total
NOM-127 300 ppm
IBWA
NOM-041
FDA
Cloro residual
0.2-1.5 ppm
Cloruros
250 ppm
250 ppm
250 ppm
250 ppm
Color
20 UCV
5 UCV
15 UCV
15 UCV
Dureza total
500 ppm
200 ppm
Hierro (como Fe)
0.3 ppm
0.30 ppm
Turbiedad
5 UTN
5 UTN
5 UTN
5 UTN
SDT (Sólidos disueltos totales)
1,000 ppm
500 ppm
500 ppm
500 ppm
SAAM
0.5 ppm
Sulfatos
400 ppm
250 ppm
250 ppm
250 ppm
pH
6.5-8.5
6.5 -8.5
6.5 -8.5
NA
Zinc
5 ppm
5 ppm
3.0 ppm
5 ppm
300 ppm 0.10 ppm
0.50 ppm
Fuente: Valores de las normas 041,127, IBWA y las normas de la FDA.
Herramientas de la Calidad Aplicables al proceso de Agua purificada Diagrama de pareto. Histograma. Hojas de verificación. Gráficos de control.
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Anexo 2. Resultados del Sondeo realizado a los trabajadores académicos y administrativos de la UACH. Pregunta: 1.- ¿Tipo de agua que consume?
2.- ¿Por qué prefiere este tipo de agua?
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3.- ¿Consumiría agua de garrafón?
4.- ¿Cuál es el consumo semanal de garrafón?
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5.-¿Marca de agua consumida en la UACH?
6.- ¿Precio del agua que consume?
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