modulo 3 tratamiento de agua

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UNIVERSIDAD NACIONAL Facultad de Ingeniería

Ingeniería Civil y Agrícola

TRATAMIENTO DE AGUA PARA PURIFICACIÓN. Teoría y principios de diseño

Autor: Ing. Ph.D. LORENA SALAZAR GAMEZ

BOGOTÁ

http://www.cityoftulsa.org/city-services/water/treatment-process.aspx

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Contenido

1 INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUA ..................................................................... 12

1.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO ............................................................ 12 1.1.1 ASPECTOS GLOBALES ........................................................................................... 12 1.1.2 PROBLEMÁTICA ...................................................................................................... 13 1.1.3 USOS DEL AGUA ..................................................................................................... 17

1.2 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA ............................................................................. 17 1.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS .................................................................................. 17 1.2.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS .............................................................................. 18 1.2.3 CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS ............................................................. 18

1.3 NORMATIVIDAD ............................................................................................................... 19 1.4 DETERMINACIÓN Y PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN DE DISEÑO ......................... 24

1.4.1 CENSOS DE POBLACIÓN ....................................................................................... 24 1.4.2 POBLACIÓN FUTURA .............................................................................................. 25 1.4.3 DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA ....................... 25 1.4.4 DETERMINACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO ...................................................... 25 1.4.5 DETERMINACIÓN DEL TIPO DE MÉTODO DE PROYECCIÓN POBLACIONAL .. 26 1.4.6 MÉTODOS DE CÁLCULO ........................................................................................ 26

1.5 EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN ..................................................................... 31 1.6 CALCULO DE CONSUMO DE AGUA PARA VARIOS FINES ......................................... 35

1.6.1 USO DOMÉSTICO (RESIDENCIAL) ........................................................................ 35 1.6.2 USO COMERCIAL .................................................................................................... 36 1.6.3 USO INDUSTRIAL .................................................................................................... 36 1.6.4 USO RURAL .............................................................................................................. 36 1.6.5 USO PARA FINES PÚBLICOS ................................................................................. 36

1.7 CALCULO DE DOTACIONES ........................................................................................... 37 1.7.1 DOTACIÓN NETA ..................................................................................................... 38 1.7.2 PÉRDIDAS TÉCNICAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO................................... 42 1.7.3 DOTACIÓN BRUTA .................................................................................................. 43 1.7.4 CALCULO DE CAUDALES ....................................................................................... 43 1.7.5 EJEMPLO DE APLICACIÓN ..................................................................................... 46

2 TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA .............................................................. 50 2.1 PLANTAS DE FILTRACIÓN RÁPIDA ............................................................................... 50

2.1.1 PLANTA DE FILTRACIÓN RÁPIDA COMPLETA ..................................................... 50 2.1.2 PLANTAS DE FILTRACIÓN DIRECTA ..................................................................... 51 2.1.3 PLANTAS DE FILTRACIÓN LENTA ......................................................................... 54

3 PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA. ............................................. 57 3.1 TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS ..................................................................................... 57

3.1.1 CRIBADO O CERNIDO ............................................................................................. 57 3.2 TRANSFERENCIA DE IONES .......................................................................................... 62

3.2.1 PRECIPITACIÓN QUÍMICA ...................................................................................... 62 3.2.2 INTERCAMBIO IÓNICO ............................................................................................ 64 3.2.3 ADSORCIÓN ............................................................................................................. 64

3.3 TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR .............................................................. 64 3.3.1 AIREACIÓN ............................................................................................................... 64 3.3.2 TRANSFERENCIA MOLECULAR ............................................................................. 65

3.4 OTROS PROCESOS UTILIZADOS .................................................................................. 66 4 PRE TRATAMIENTOS .............................................................................................................. 67

4.1 DESARENADORES .......................................................................................................... 67 4.2 CANAL DE ENTRADA Y REJILLA .................................................................................... 68

4.2.1 CANAL DE ENTRADA .............................................................................................. 69

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4.2.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA ................................................................... 70 4.3 EJEMPLO DE DISEÑO ..................................................................................................... 72

5 COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA .................................................................................... 79 5.1 PARTÍCULAS COLOIDALES ............................................................................................ 79 5.2 PROPIEDADES DE LOS COLOIDES............................................................................... 80 5.3 TEORÍA DE LA COAGULACIÓN. ..................................................................................... 83

5.3.1 FASES DE LA COAGULACIÓN. ............................................................................... 84 5.3.2 DIAGRAMAS DE COAGULACIÓN - TURBIEDAD ................................................... 85 5.3.3 COAGULANTES ....................................................................................................... 87 5.3.4 TIPO DE DOSIFICACIÓN ......................................................................................... 91

5.4 MECANISMOS DE COAGULACIÓN: MEZCLA RÁPIDA ................................................. 94 5.4.1 MEZCLADORES HIDRÁULICOS ............................................................................. 97

6 FLOCULACIÓN ....................................................................................................................... 112 6.1 CLASIFICACIÓN DE LOS FLOCULADORES. ............................................................... 112

6.1.1 FLOCULADORES HIDRÁULICOS ......................................................................... 113 7 SEDIMENTACIÓN................................................................................................................... 133

7.1 TEORÍA BÁSICA DE SEDIMENTACIÓN ........................................................................ 134 7.2 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓN .................................... 137 7.3 MODELO TEÓRICO DE LA SEDIMENTACIÓN CONVENCIONAL ............................... 138 7.4 SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL ............................................................ 142

7.4.1 CRITERIOS DE DISEÑO PARA SEDIMENTADORES HORIZONTALES (CONVENCIONALES) ............................................................................................................ 146 7.4.2 EJEMPLO DE DISEÑO ........................................................................................... 148

7.5 SEDIMENTACIÓN LAMINAR O DE ALTA TAZA .......................................................... 152 7.5.1 CLASIFICACIÓN ..................................................................................................... 153 7.5.2 FUNDAMENTOS DE LA SEDIMENTACIÓN DE FLUJO LAMINAR O ALTA TASA 157 7.5.3 CONSIDERACIONES SOBRE EL RÉGIMEN DE FLUJO ...................................... 161 7.5.4 ECUACIÓN BÁSICA DE CÁLCULO ....................................................................... 162 7.5.5 COMPONENTES DE UN SEDIMENTADOR LAMINAR ......................................... 165 7.5.6 PARÁMETROS DE DISEÑO .................................................................................. 169 7.5.7 EJEMPLO ................................................................................................................ 170

8 FILTRACIÓN ........................................................................................................................... 176 8.1 TIPOS DE UNIDADES DE FILTRACIÓN........................................................................ 177

8.1.1 FILTRACIÓN POR GRAVEDAD ............................................................................. 178 8.1.2 FILTRACIÓN ASCENDENTE ................................................................................. 178 8.1.3 FILTRACIÓN DESCENDENTE ............................................................................... 180 8.1.4 FILTRACIÓN ASCENDENTE-DESCENDENTE ..................................................... 181

8.2 MECANISMOS DE FILTRACIÓN ................................................................................... 183 8.2.1 MECANISMOS DE TRANSPORTE ........................................................................ 183 8.2.2 MECANISMOS DE ADHERENCIA ......................................................................... 186

8.3 COMPONENTES DE UN FILTRO. ................................................................................. 188 8.3.1 MEDIO FILTRANTE. ............................................................................................... 189 8.3.2 GRAVA DE SOPORTE. .......................................................................................... 193 8.3.3 SISTEMA DE DRENAJE. ........................................................................................ 193

8.4 PARÁMETROS DE DISEÑO .......................................................................................... 196 8.4.1 TASA DE FILTRACIÓN. .......................................................................................... 196 8.4.2 NÚMERO DE FILTROS. ......................................................................................... 196 8.4.3 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS FILTROS. ...................................................... 196

8.5 EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS ............................................................................. 199 9 DESINFECCIÓN ..................................................................................................................... 204

9.1 TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN ................................................................................... 206 9.2 FACTORES QUE AFECTAN LA DESINFECCIÓN ........................................................ 206 9.3 TIPOS DE DESINFECCIÓN. .......................................................................................... 207

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9.3.1 Agentes físicos ........................................................................................................ 208 9.3.2 AGENTES QUÍMICOS ............................................................................................ 209

9.4 EL CLORO ...................................................................................................................... 212 9.4.1 Reacciones del cloro en el agua y su relación con el proceso de cloración ........... 212 9.4.2 DOSIFICACIÓN ....................................................................................................... 214

10 FLOTACIÓN Y AIREACIÓN. ............................................................................................... 222 10.1 SISTEMAS DE FLOTACIÓN ........................................................................................... 223

10.1.1 Sistema flotación por aire disuelto (dissolved air flotation) ..................................... 223 10.2 AIREACIÓN ..................................................................................................................... 224

10.2.1 Tipos de aireadores ................................................................................................. 225 10.3 . EJERCICIOS DE DISEÑO ............................................................................................ 230 10.4 Aireador de cascada........................................................................................................ 230 10.5 AIREADOR DE BANDEJA .............................................................................................. 231

11 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 233

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en aguas superficiales ............ 19 Tabla 2 Características físicas .......................................................................................................... 20 Tabla 3 Características Químicas ..................................................................................................... 20 Tabla 4. Características Microbiológicas .......................................................................................... 21 Tabla 5. Puntaje de riesgo para las características físicas, químicas y microbiológicas para el cálculo del IRCA ................................................................................................................................ 22 Tabla 6. Clasificación del nivel de riesgo en salud según el IRCA. .................................................. 23 Tabla 7. Clasificación de los niveles de calidad de las fuentes de abastecimiento y el grado de tratamiento asociado. ........................................................................................................................ 23 Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema ........................................................................................ 25 Tabla 9. Periodo máximo de diseño para todos los componentes de acueducto ............................ 26 Tabla 10. Métodos de cálculo permitidos según el Nivel de Complejidad del Sistema .................... 26 Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro ............................................................................ 31 Tabla 12. Proyección de población por métodos aritmético, geométrico y exponencial .................. 34 Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad ..................................................... 38 Tabla 14. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad ............ 39 Tabla 15. Consumo mínimo en comercios ........................................................................................ 40 Tabla 16. Consumo de servicio para personal en las industrias ...................................................... 40 Tabla 17. Consumos para producción de algunos tipos de industria ............................................... 40 Tabla 18. Consumos para fines públicos .......................................................................................... 41 Tabla 19. Consumo para uso escolar ............................................................................................... 41 Tabla 20. Consumo institucional ....................................................................................................... 41 Tabla 21. Consumo en hoteles ......................................................................................................... 41 Tabla 22. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad ............ 46 Tabla 23. Límites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida completa. ...... 51 Tabla 24. Límites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa .......................................... 53 Tabla 25. Límites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta. ........................ 55 Tabla 26. Características de las Rejillas ........................................................................................... 68 Tabla 27. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas..................................................................... 81 Tabla 28. Coagulantes más empleados ............................................................................................ 88 Tabla 29. Clasificación de los poli electrolitos ................................................................................... 90 Tabla 30 Valores de peso específico y viscosidad dinámica ........................................................... 98 Tabla 31. Criterios de diseño para mezcladores rápidos .................................................................. 99 Tabla 32. Requerimientos de sumergencia .................................................................................... 100 Tabla 33. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal ................................. 101 Tabla 34. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) .......................................................... 102 Tabla 35. Valores de K y n .............................................................................................................. 102 Tabla 36. Clasificación de los floculadores ..................................................................................... 112 Tabla 37. Tipos de sedimentación .................................................................................................. 137 Tabla 38. Clasificación de los procesos de sedimentación según el sentido del flujo.................... 137 Tabla 39. Criterios de diseño para sedimentadores convencionales ............................................. 147 Tabla 40. Factor de área profundidad relativa útil l ....................................................................... 164 Tabla 41. Criterios de diseño para sedimentadores laminares ....................................................... 170 Tabla 42. Propiedades del agua. Unidades SI. ............................................................................... 174 Tabla 43 .Clasificación de los filtros ................................................................................................ 178 Tabla 44. Características de los medios filtrantes. ......................................................................... 191 Tabla 45 Sistemas de drenaje ......................................................................................................... 195 Tabla 46. Criterios generales de diseño filtros ................................................................................ 198 Tabla 47. Concentración de Hidrógeno según pH .......................................................................... 213 Tabla 48. Tipos de reacción del Cloro en el Agua .......................................................................... 213

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Tabla 49. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log 3 ....................................................................................................................................................... 218 Tabla 50. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log 4 ....................................................................................................................................................... 218 Tabla 51. Criterios de diseño para aireadores de cascada ............................................................ 226 Tabla 52. Criterios de diseño para aireadores de bandejas. .......................................................... 227 Tabla 53. Criterios de diseño de aireadores por aspersión ............................................................ 229

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ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza ................................................................................... 12 Fig. 2. Distribución del agua en el mundo ......................................................................................... 13 Fig. 3. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m

3/s) ....................................................... 15

Fig. 4. Porcentaje de hogares con acceso a acueducto. DANE 2012. ............................................. 16 Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua. ................................................................. 16 Fig. 6. Esquema de filtración directa ascendente ............................................................................. 52 Fig. 7. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente ......................................................... 53 Fig. 8. Esquema de Filtración lenta tipo FIME. ................................................................................. 55 Fig. 9. Rejillas Planta de Tratamiento Triple A. Barranquilla. Primera etapa .................................... 58 Fig. 10. Rejillas mecánicas. Segunda etapa ..................................................................................... 58 Fig. 11. Desarenador convencional................................................................................................... 59 Fig. 12. Sedimentador de Alta taza ................................................................................................... 59 Fig. 13. Esquema de una trampa de grasas. .................................................................................... 60 Fig. 14. Filtro de Arena, vaciado ....................................................................................................... 61 Fig. 15. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración. .......................................................... 62 Fig. 16. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla .................................................. 63 Fig. 17. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico ......................................................... 63 Fig. 18. Sistema de Aireación en cascada ........................................................................................ 65 Fig. 19. Zonas de un desarenador. ................................................................................................... 68 Fig. 20. Rejilla con barras paralelas .................................................................................................. 70 Fig. 21. Rejilla lateral inclinada .......................................................................................................... 71 Fig. 22. Esquema canal de Entrada y Rejilla. Vista en Planta .......................................................... 76 Fig. 23. Corte A – A´ .......................................................................................................................... 76 Fig. 24. Corte B – B´ .......................................................................................................................... 77 Fig. 25 Vista frontal. Rejilla ................................................................................................................ 77 Fig. 26 Esquema 3D del canal y la rejilla de entrada ........................................................................ 78 Fig. 27. Tamaño de las partículas suspendidas ................................................................................ 80 Fig. 28. Diagrama de potencial zeta Estructura de la doble capa eléctrica ...................................... 83 Fig. 29. Modelo esquemático del proceso de coagulación ............................................................... 85 Fig. 30. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio ............................................................. 87 Fig. 31. Diagrama del equipo de jarras ............................................................................................. 93 Fig. 32. Mezcladores flujo pistón ....................................................................................................... 95 Fig. 33. Retromezcladores ................................................................................................................ 96 Fig. 34. Dimensiones de la canaleta Parshall ................................................................................. 101 Fig. 35. Esquema de la Canaleta Parshall ...................................................................................... 103 Fig. 36. Dimensiones de la Canaleta Parshall. Todas las unidades en metros. ............................. 111 Fig. 37. Floculadores hidráulicos de tabiques ................................................................................. 113 Fig. 38. Gradientes de energía, y pérdidas en floculadores de flujo horizontal. ............................. 114 Fig. 39.Esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal ................................................. 117 Fig. 40 Vista en Planta y Frontal Primera Zona Floculador ............................................................ 127 Fig. 41. Fuerzas actuantes en una partícula. .................................................................................. 134 Fig. 42. Tipos de sedimentadores según el sentido del flujo .......................................................... 138 Fig. 43. Zonificación de un sedimentador convencional ................................................................. 139 Fig. 44. Esquema de sedimentación para bajas velocidades ......................................................... 140 Fig. 45. Esquema de sedimentación en el caso de altas velocidades Vs mayores que la critica .. 140 Fig. 46. Diagrama sedimentación ideal ........................................................................................... 140 Fig. 47. Sedimentadores horizontales de forma rectangular .......................................................... 143 Fig. 48.Dispositivos de entrada para decantadores ........................................................................ 144 Fig. 49. Vertedero de recolección de agua sedimentada .............................................................. 145 Fig. 50. Detalles zona de lodos sedimentador convencional .......................................................... 146

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Fig. 51. Vista en corte sedimentador .............................................................................................. 151 Fig. 52. Vista en planta sedimentador ............................................................................................. 151 Fig. 53. Sedimentación de partículas .............................................................................................. 152 Fig. 54. Tipos de módulos ............................................................................................................... 153 Fig. 55.Tipos de placas ................................................................................................................... 154 Fig. 56. Sedimentador horizontal ................................................................................................... 155 Fig. 57.Sedimentadores Laminares ................................................................................................ 156 Fig. 58. Sedimentación de partículas .............................................................................................. 158 Fig. 59. Relaciones geométricas en un decantador inclinado ........................................................ 159 Fig. 60. Distribución de flujos .......................................................................................................... 162 Fig. 61. Relación ángulo - eficiencia ............................................................................................... 165 Fig. 62. Esquema de un decantador nuevo de alta rata con canal distribuidor y tolvas ................ 167 Fig. 63. Sedimentador de placas inclinadas, losetas ...................................................................... 174 Fig. 64. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI. ........................................ 177 Fig. 65. Vista parcial da bateria de filtros da ETA Gravatá. ............................................................ 177 Fig. 66. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante ............................................... 180 Fig. 67. Filtro descendente .............................................................................................................. 181 Fig. 68. Esquema filtro Bi Flow ........................................................................................................ 182 Fig. 69. Esquema típico de una instalación de superfiltración ........................................................ 182 Fig. 70. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte ................................................... 184 Fig. 71. Mecanismo de impacto inercial .......................................................................................... 185 Fig. 72. Mecanismo de acción hidrodinámica ................................................................................. 186 Fig. 73. Acción de la tensión de cizallamiento. ............................................................................... 186 Fig. 74. Esquema del puente químico ............................................................................................. 187 Fig. 75. Componentes de un filtro ................................................................................................... 189 Fig. 76. Lecho filtrante mixto ........................................................................................................... 190 Fig. 77. Falso fondo con viguetas prefabricadas ............................................................................ 193 Fig. 78. Tuberías perforadas para trabajo con grava ...................................................................... 194 Fig. 79. Fondo Leopold ................................................................................................................... 194 Fig. 80. Bloque plástico para lavado con aire y agua ..................................................................... 194 Fig. 81. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento sustancial aguas arriba de los filtros ................................................................................................................ 199 Fig. 82. Formas importantes de cloro en la cloración del agua ...................................................... 214 Fig. 83. Curva punto de quiebre ...................................................................................................... 215 Fig. 84. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de coliformes con cloro libre .................................................................................................................................. 217 Fig. 85. Angulo entre la superficie de sólido y la burbuja de gas. ................................................... 222 Fig. 86. Esquema de filtración por aire disuelto .............................................................................. 223 Fig. 87. Aireadores de cascada...................................................................................................... 225 Fig. 88. Aireador de bandejas ......................................................................................................... 227 Fig. 89. Diseño de bandejas de aireación ....................................................................................... 232

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico Tratamiento de aguas fue diseñado por Lorena Salazar Gámez, quien es Ingeniera Civil, DEA en tecnologías en el medio ambiente, y Doctora en Ingeniería Ambiental por la Universidad Politécnica de Cataluña UPC (Barcelona – España). Con experiencia profesional, e investigativa en el campo del tratamiento de aguas y residuos sólidos, ha trabajado en empresas de consultoría ambiental en España y en Colombia, docente de pregrado y post grado, en la actualidad se desempeña como docente tiempo completo de la Universidad de Medellín del programa de Ingeniería Ambiental. Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera: Salazar, L. (2015). Tratamiento de aguas, teoría y principio de diseño. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia.

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INTRODUCCIÓN GENERAL

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

http://www.worldwatercouncil.org/

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1 INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUA

El agua ha sido uno de los principales vectores medioambientales duramente castigados por la acción del hombre. En la actualidad, nadie duda que sea imprescindible desarrollar e implementar tecnología adecuada al medio, para remediar problemas de desabastecimiento como de calidad en el tratamiento del agua, con el fin de disminuir los riesgos a la salud y al medio ambiente. En este capítulo se dará una breve introducción a la problemática actual del recurso hídrico, en los criterios de calidad, la normatividad existente para sistemas de potabilización, y las bases para iniciar con el diseño de una planta de potabilización como es el cálculo poblacional.

1.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO

1.1.1 ASPECTOS GLOBALES

El agua es un elemento esencial para la vida en la tierra y en el ser humano, el World Water Council, nos da una descripción de la importancia del agua para la vida: “El agua es vida. Toda organismo vivo, está constituido principalmente por agua: los seres humanos son un 60% agua, los peces 80%, plantas entre 80 – 90%”. El agua es necesaria para todas las reacciones químicas que se generan en las células, y es esencial para la producción de alimentos y los ecosistemas vivos

1.

El agua es un recurso crítico, sin el cual la vida no es posible (WWC, 2000). El agua está distribuida en la tierra de diferentes maneras: en agua salubre, dulce, subterránea y en capas de hielo permanentemente congeladas sobre la superficie de las regiones muy frías o pre glaciares. Del total del agua existente en la tierra solamente el 2.4% de toda el agua en el planeta es agua dulce, de este porcentaje el 87.2% de esta agua dulce se encuentra en glaciares, capas de hielo, y nieve, el 12% es agua subterránea, de difícil captación y tratamiento, y únicamente el 0.8% es agua dulce disponible para los diversos usos, de este 0.8% de agua disponible, el 23.8% está presente en la humedad del suelo, de plantas, el 4.8% en la atmósfera, 1.8% en humedales, y solo el 0.6% en ríos, ver Fig. 1.

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza Fuente: (Cunningham & Cunningham, 2012)

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

3%

97%

Distribución de agua en el planeta

Agua Dulce

Agua Salada 87%

12%

1%

Distribución de Agua Dulce

Glaciares y Nevados

Agua subterránea

Agua superficial



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1.1.2 PROBLEMÁTICA

La escasez de agua afecta ya a todos los continentes. Cerca de 1.200 millones de personas, casi una quinta parte de la población mundial, vive en áreas de escasez física de agua, mientras que 500 millones se aproximan a esta situación. Otros 1.600 millones, alrededor de un cuarto de la población mundial, se enfrentan a situaciones de escasez económica de agua, donde los países carecen de la infraestructura necesaria para transportar el agua desde ríos y acuíferos.

La escasez de agua constituye uno de los principales desafíos del siglo XXI al que se están enfrentando ya numerosas sociedades de todo el mundo. A lo largo del último siglo, el uso y consumo de agua creció a un ritmo dos veces superior al de la tasa de crecimiento de la población y, aunque no se puede hablar de escasez hídrica a nivel global, va en aumento el número de regiones con niveles crónicos de carencia de agua.

La escasez de agua es un fenómeno no solo natural sino también causado por la acción del ser humano. Hay suficiente agua potable en el planeta para abastecer a 6.000 millones de personas, pero ésta está distribuida de forma irregular, la existente se desperdicia, está contaminada y se gestiona de forma insostenible, en la Fig. 2 se puede observar la escases del recurso en países como África, Oriente medio, India y China, países que tienen una gran densidad poblacional (PNUD, 2006).

Fig. 2. Distribución del agua en el mundo

Fuente: Gráficos vitales del Agua, PNUMA

http://www.un.org/spanish/waterforlifedecade/scarcity.shtml

http://www.unep.org/dewa/vitalwater/jpg/0221-waterstress-EN.jpg

14

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

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

1.1.2.1 Situación del recurso hidrico en Colombia

Colombia se clasifica como uno delospaíses conmayor oferta hidrica natural del mundo. El estudio nacional del agua 2010 (IDEAM, 2010), estima que en Colombia existe un rendimiento hídrico promedio de 63 L/s-km

2 que supera seis veces el rendimiento promedio mundial (10 L/s-km

2) y tres

veces el rendimiento de latinoamérica (21 63 L/s-km2).

Del volumen total anual de precipitación en Colombia (3.700 km3), el 61% se convierte en escorrentia superficial, y fluje por las cinco áreas hidrográficas en las que se divide el territorio nacional continental, la Fig. 3 presenta las diferentes áreas hidrográficas del pais, y su distribución de caudales.

15

Fig. 3. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m3/s)

Fuente: (IDEAM, 2010) Según la Fig. 3, podemos obserbar que la mayor oferta de agua la brinda la cuenca del Amazonas, seguido con la cuenca del Orinoco, Pacífico y la Andina. Lo cual con coincide con la densidad poblaciónal en donde el área que mayor población alberga es la Andina. El crecimiento actual de la nación ha congregado la demanda hídrica sobre regiones donde su oferta es escasa y en las cuales los procesos de crecimiento poblacional amplifican la presión sobre un recurso que ya registra altos requerimientos para mantener la estructura socio-económica instalada (Dominguez, Rivera, Vanegas Sarmiento, & Moreno, 2008). Esto nos lleva a la situación actual en donde, según el informe publicado por la Defensoría del Pueblo, para el año 2005, el agua que se consume en el país no cumple para ser potable. En ese sentido, más de doce millones de habitantes de las cabeceras municipales es decir el 55,3% de la población analizada están recibiendo un servicio de acueducto que suministra agua no apta para consumo humano (Defensoria del Pueblo, 2005). Datos del 2012 reportados por el DANE,Fig. 4, nos indican que el porcentaje de hogares con acueducto en las cabeceras urbanas es del 97% y la situación en zonas rurales continua con la tendencia del 2005, con un 46.7% de hogares sin acueducto.

16

Fig. 4. Porcentaje de hogares con acceso a acueducto. DANE 2012.

Es por esto que capacitarse en tecnologías que puedan dar solución a la problemática del agua potable, y que sea aplicada en paises en vias en desarrollo es una necesidad. En la actualidad uno de los tratamientos de agua más empleado es el tratamiento “convencional,” este se describe en la Fig. 5, consiste en un proceso de pre tratamiento (rejillas y desarenador), la adición de químicos y una mezcla rápida, que se denomina el proceso de coagulación, luego una clarificación que se denomina floculación, seguida de una sedimentación de alta taza, filtración y desinfección, con frecuencia se emplea el cloro como desinfectante ya para finalizar un control de pH lo que se denomina alcalinización (Ndabigengesere & Narasiah, 1998).

Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua. Tomado de: google.images_watertreatmentsycle epa.

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=65i_uY2W0hsKrM&tbnid=rDkdty1bGwKG1M:&ved=0CAUQjRw&url=http://water.epa.gov/learn/kids/drinkingwater/watertreatmentplant_index.cfm&ei=6c4vUbaSEJDW9QTN-oCoDQ&psig=AFQjCNH7miUqHmlx4Z8VeI1f4vhn8m3ozw&ust=1362173728518797

17

1.1.3 USOS DEL AGUA

El agua dulce tiene diferentes usos dependiendo de la destinación final, a continuación se sintetiza, los usos del agua definidos en el Reglamento de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS TITULO B 2010):

a) Uso residencial b) Uso Comercial c) Uso industrial d) Uso rural - agrícola e) Para fines públicos f) Escolar g) Institucional

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

1.2 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA

El agua es el constituyente más importante del organismo humano y del mundo en el que vivimos. Tiene una gran influencia en los procesos bioquímicos que ocurren en la naturaleza. Esta influencia no solo se debe a sus propiedades fisicoquímicas como molécula bipolar sino también a los constituyentes orgánicos e inorgánicos que se encuentran en ella, recientemente se están descubriendo nuevas propiedades del agua como la capacidad de. Se considera que el agua es un solvente universal, debido a que es capaz de disolver o dispersar la mayoría de sustancias con las que tiene contacto, sean estas sólidas, líquidas o gaseosas, y de formar con ellas iones, complejos solubles e insolubles, coloides o simplemente partículas dispersas de diferente tamaño y peso (Barrenechea, 2004). Desde el punto de vista de la salud humana, el agua ayuda a eliminar las sustancias resultantes de los procesos bioquímicos que se desarrollan en el organismo humano, a través de los órganos excretores, en especial la orina y el sudor. Sin embargo, por esta misma propiedad, puede transportar una serie de tóxicos al organismo que pueden afectar a diferentes órganos, de manera reversible o irreversible. En Colombia los criterios de calidad de agua se encuentran en la Resolución 2115 del 2007, del Ministerio de la Protección Social Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial.

1.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

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

turbiedad

sólidos solubles e insolubles

http://www.cra.gov.co/apc-aa-files/37383832666265633962316339623934/4._Sistemas_de_acueducto.pdf


http://www.minambiente.gov.co/documentos/res_2115_220707.pdf

18

color

olor y sabor

temperatura

1.2.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS

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

Acidez

Alcalinidad

Dureza

pH

Conductividad

Aceites y Grasas

Compuestos orgánicos e inorgánicos

Fosfatos

Nitritos y nitratos

Orgánicas

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

Oxígeno disuelto

1.2.3 CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS

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

19

vías, pues estos agentes patógenos también pueden transmitirse a través de alimentos, de persona a persona debido a malos hábitos higiénicos y de los animales al hombre, entre otras vías. Los agentes patógenos y los organismos productores de toxinas que pueden estar presentes en aguas superficiales y cuya transmisión hídrica está demostrada pertenecen a los siguientes grupos:

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

Bacterias Eschericia coli, Salmonella, Shigella, Vibrio cholerae, Yersinia enterocolitica, Campylobacter jeruni.

Virus Enterovivus, Rotavirus, Adenovirus.

Protozoos Giardia, Cryptosporidium, Entamoeba histolytica, Balantidium coli.

Helmintos Ascaris, Trichuris, Taenia.

Cyanobacterias Anabaena, Microcystis.

Fuente: (Aurazo de Zumaeta, 2004)

Figura 1-1. Rotavirus Figura 1-2.Ameba

Figura 1-3. Bacterias

1.3 NORMATIVIDAD

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

http://www.minambiente.gov.co/documentos/res_2115_220707.pdf

20

Tabla 2 Características físicas

Características físicas Expresados como

Valor máximo

aceptable

Color aparente Unidades de Platino Cobalto (UPC) 15

Olor y Sabor Aceptable o no aceptable Aceptable

Turbiedad Unidades Nefelométricas de turbiedad

(UNT) 2

Fuente Decreto 2115/2007 CONDUCTIVIDAD. El valor máximo aceptable para la conductividad puede ser hasta 1000 microsiemens/cm. POTENCIAL DE HIDRÓGENO. El valor para el potencial de hidrógeno pH del agua para consumo humano, deberá estar comprendido entre 6,5 y 9,0.

Tabla 3 Características Químicas

Elementos, compuestos químicos y mezclas de compuestos químicos diferentes a los plaguicidas y otras

sustancias Expresados

como

Valor máximo

aceptable (mg/L)

Antimonio Sb 0,02

Arsénico As 0,01

Bario Ba 0,7

Cadmio Cd 0,003

Cianuro libre y disociable CN- 0,05

Cobre Cu 1,0

Cromo total Cr 0,05

Mercurio Hg 0,001

Níquel Ni 0,02

Plomo Pb 0,01

Selenio Se 0,01

Trihalometanos Totales THMs 0,2

Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAP) HAP 0,01

21

Elementos, compuestos químicos y mezclas de compuestos químicos que tienen implicaciones

sobre la salud humana Expresado

como Valor máximo

aceptable (mg/L)

Carbono Orgánico Total COT 5,0

Nitritos NO2- 0,1

Nitratos NO3- 10

Fluoruros F- 1,0

Elementos y compuestos químicos que tienen implicaciones de tipo económico

Expresado como

Valor máximo aceptable (mg/L)

Calcio Ca 60

Alcalinidad Total CaCO3 200

Cloruros Cl- 250

Aluminio Al3+

0,2

Dureza Total CaCO3 300

Hierro Total Fe 0,3

Magnesio Mg 36

Manganeso Mn 0,3

Molibdeno Mo 0,07

Sulfatos SO42-

250

Zinc Zn 3

Fosfatos PO43-

0,5

Fuente Decreto 2115/2007

Tabla 4. Características Microbiológicas

Técnicas utilizadas Coliformes Totales Escherichia coli

Filtración por membrana

0 UFC/100 cm3 0 UFC/100 cm3

Enzima Sustrato < de 1 microorganismo en 100 cm3 < de 1 microorganismo en 100 cm3

Sustrato Definido 0 microorganismos en 100 cm3 0 microorganismos en 100 cm3

Presencia-Ausencia Ausencia en 100 cm3 Ausencia en 100 cm3

Fuente Decreto 2115/2007

22

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

cálculo del IRCA

Característica Puntaje de

riesgo

Color Aparente 6

Turbiedad 15

pH 1,5

Cloro Residual Libre 15

Alcalinidad Total 1

Calcio 1

Fosfatos 1

Manganeso 1

Molibdeno 1

Magnesio 1

Zinc 1

Dureza Total 1

Sulfatos 1

Hierro Total 1,5

Cloruros 1

Nitratos 1

Nitritos 3

Aluminio (Al3+

) 3

Fluoruros 1

COT 3

Coliformes Totales 15

Escherichia Coli 25

Sumatoria de puntajes asignados 100

Fuente Decreto 2115/2007 Una vez se realice la evaluación del riesgo teniendo en cuenta cada una de las características del agua, clasificamos el nivel de riesgo, si el valor del IRCA es cero (0) puntos, significa que cumple con los valores aceptables para cada una de las características físicas, químicas y microbiológicas contempladas en la presente Resolución y cien puntos (100) para el más alto riesgo cuando no cumple ninguno de ellos. Dependiendo de esta valoración se puede determinar si el nivel de riesgo es inviable sanitariamente, alto, medio, bajo y sin riesgo, además nos da información sobre las acciones que se pueden tomar con este recurso, ver Tabla 6.

23

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

Clasificación IRCA

(%) Nivel de Riesgo

IRCA por muestra (Notificación que adelantará

la autoridad sanitaria de manera inmediata) IRCA mensual (Acciones)

80,1-100

INVIABLE SANITARIAMENTE

Informar a la persona prestadora, al COVE, Alcalde, Gobernador, SSPD, MPS, INS, MAVDT, Contraloría General y Procuraduría General.

Agua no apta para consumo humano, gestión directa de acurdo a su competencia de la persona prestadora, alcaldes, gobernadores y entidades del orden nacional.

35,1-80 ALTO

Informar a la persona prestadora, COVE, Alcalde, Gobernador y a la SSPD.

Agua no apta para consumo humano, gestión directa de acuerdo a su competencia de la persona prestadora y de los alcaldes y gobernadores respectivos.

14,1-35 MEDIO

Informar a la persona prestadora, COVE, Alcalde y Gobernador.

Agua no apta para consumo humano, gestión directa de la persona prestadora.

5,1-14 BAJO Informar a la persona prestadora y al COVE

Agua no apta para consumo humano, susceptible de mejoramiento.

0-5 SIN RIESGO Continuar el control y vigilancia.

Agua apta para consumo humano. Continuar la vigilancia.

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

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

Parámetros Análisis según Nivel de calidad de acuerdo al grado de polución

Norma técnica NTC

Standard Method ASTM

1.Fuente aceptable

2.Fuente regular

3.Fuente deficiente

4.Fuente muy deficiente

DBO 5 días 3630

Promedio mensual mg/L

<=1.5 1.5-2.5 2.5-4 >4

Máximo diario mg/L

1-3 3-4 4-6 >6

Coliformes totales (NMP/100 mL)

Promedio mensual

D-3870 0-50 50-500 500-5000 >5000

Oxídeno disuelto mg/L

4705 D-888 >=4 >=4 >=4 <4

pH promedio 3651 D 1293 6.0-8.5 5.0-9.0 3.8-10.5


24

Tuerbiedad (UNT) 4707 D 1889 <2 2-40 40-150 >=150

Color verdadesto (UPC)

Gusto y olor

D 1292 Inofensivo

Inofensivo

Inofensivo Inaceptable

Cloruros (mg/L-Cl)

D 512 <50 50-150 150-200 300

Floruros (mg/L-F)

D 1179 <1.2 <1.2 <1.2 >1.7

GRADO DE TRATAMIENTO

Necesita un tratamiento convencional NO NO

Sí, hay veces (ver requisitos

para uno FLDE: literal

c.7.4.3.3)

SI

Necesita unos tratamientos específicos NO NO NO SI

Procesos de tratamiento utilizados

(1) = Desinfección

+ Estabilizació

n

(2) = Filtración lenta o

Filtración directa +

(1)

(3) = Pretratamient

o + (Coagulación

+ Sedimentación + Filtración

rápida ) o (Filtración

lenta diversas estapas) + (1)

(4) = (3) + Tratamientos específicos

Fuente RAS 2000. Última modificación título B (2010)

1.4 DETERMINACIÓN Y PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN DE DISEÑO

Uno de los primeros parámetros para tener en cuenta en el diseño de una planta de potabilización es la población de diseño, esta permitirá posteriormente calcular las dotaciones y el caudal a emplear en el dimensionamiento del sistema de potabilización. Por lo general las plantas de potabilización se diseñan para un grupo poblacional, es decir un municipio, vereda, etc., no obstante existen soluciones particulares que podrían ser una finca o un conjunto residencial donde el cálculo de la población de diseño es menos complejo. En nuestro caso de estudio seguiremos las recomendaciones para un sistema de acueducto de una población hipotética, denominada “San Pedro”, con el fin de hacer más aplicativo el aprendizaje. El titulo B de la RAS nos recomienda que para la estimación de la proyección de la población se deben tener en cuenta los datos establecidos para la población por el DANE, tanto para la definición del nivel de complejidad del sistema como para la proyección de la población. El último dato de población establecido por el DANE para el municipio objeto del diseño debe tenerse en cuenta como un último censo a utilizarse para la proyección de la población.

1.4.1 CENSOS DE POBLACIÓN

Deben recolectarse los datos demográficos de la población, en especial los censos de población del DANE y los censos disponibles de suscriptores de acueducto y otros servicios públicos de la localidad o localidades similares. Con base en los datos anteriores se establecerán los criterios y


http://www.dane.gov.co/#twoj_fragment1-4

http://www.dane.gov.co/#twoj_fragment1-4

25

parámetros que determinen el crecimiento de la población, (Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico, 2010).

1.4.2 POBLACIÓN FUTURA

En el diseño de un sistema de abastecimiento uno de los datos básicos es la determinación del caudal necesario, para una población o núcleo, el cual depende del número de habitantes y la producción industrial que tendrá la localidad al fin del período de diseño. Cuando estos factores crecen, el consumo de agua aumentará. Los factores más importantes que influyen en el crecimiento de la población son los nacimientos, las muertes y las migraciones de población (aumento o disminución). Algunas localidades tienen población flotante considerable que debe tenerse en cuenta al calcular la población que va a servirse del acueducto; es el caso de poblaciones veraniegas (entrará en juego el criterio del Ingeniero para estimar la población flotante). En nuestro medio el crecimiento de las ciudades grandes e intermedias oscila entre el 2 y 3% mientras que para pequeñas y la zona rural está entre 1 y 2%. Sin embargo estos datos no pueden generalizarse y son apenas magnitudes de referencia, pues hay muchas localidades con crecimientos inferiores al 1% y aún negativos.

1.4.3 DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA

A partir de la población futura podemos determinar el nivel de complejidad del sistema, como nos indica la Tabla 8 (tabla A.3.1, del RAS título A).

Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema

Nivel de complejidad

Población en la zona urbana

(1)

(habitantes)

Capacidad económica de los

usuarios (2)

Bajo <2500 Baja

Medio 2501 a 12500 Baja

Medio Alto 12501 a 60000 Media

Alto >60000 Alta

Notas: (1) Proyectado al periodo de diseño, incluida la población flotante.

(2) Incluye la capacidad económica de población flotante. Debe ser evaluada según metodología del DNP.

Fuente: RAS Titulo A (2000)

1.4.4 DETERMINACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO

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

26

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

Nivel de Complejidad del Sistema

Periodo de diseño máximo

Bajo, Medio y Medio Alto 25 años

Alto 30 años

Fuente: RAS Titulo A (2000)

1.4.5 DETERMINACIÓN DEL TIPO DE MÉTODO DE PROYECCIÓN POBLACIONAL

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

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

Nivel de Complejidad del Sistema

Método por emplear Bajo Medio Medio alto Alto

Aritmético, geométrico y exponencial X X Aritmético, geométrico, exponencial, otro

X X

Por componentes (demográfico)

X X

Detallar por zonas y detallar densidades

X X

Método gráfico X X Fuente RAS 2010 Titulo B. Tabla B.2.1

1.4.6 MÉTODOS DE CÁLCULO

1.4.6.1 Método aritmético

Supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración. Se supone que la tasa de variación de la población con el tiempo es constante:

Kt

P

Integrando la ecuación entre los límites ti, año inicial y tf año final se tiene:

f

i

f

i

if

P

P

t

tttKtKP )(

)( if ttKPP if

27

)( iff ttKPP i

Siendo:

Pf = población para un año futuro (año de predicción) Pi = población del año inicial o año básico

La constante K se puede calcular así: 12

12

tt

PPK

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

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

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

1.4.6.2 Método Exponencial o Logarítmico

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

Kt

P

P K constante

f

i

f

i

P

P

t

ttKPP

f

i

F

i

t

t

P

P

tKLn

)( ifif ttKPLnPLn

)( ifif ttKPLnPLn )( if TTk

if ePP

Esta última es la ecuación empleada La constante K puede calcularse así:

28

)( 1212 ttKPLnPLn

12

12

TT

LnPLnPk

Donde K es la tasa de crecimiento de la población la cual se calcula como el promedio de las tasas para cada par de censos, P2 y P1 son las poblaciones de los años t2 y t1 obtenidas de la información existente (censos).

1.4.6.3 Método Geométrico

El Método Geométrico es útil en poblaciones que muestren una importante actividad económica, que genera un apreciable desarrollo y que poseen importantes áreas de expansión las cuales pueden ser dotadas de servicios públicos sin mayores dificultades. La solución de la ecuación diferencial exponencial puede también visualizarse de la siguiente forma: Reemplazando e

k del método exponencial por (1 + r) se tiene la fórmula de interés compuesto:

if ttif rPP )1(

Si ntt if

Periodo de tiempo que se quiere averiguar de la población.

inif rPP )1(

En donde r es la rata de crecimiento anual y n el número de años en consideración. Cuando no se posea la rata de crecimiento anual de una localidad. La tasa de crecimiento anual se calcula de la siguiente manera:

1)(

1

1

212

TT

P

Pr

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

1.4.6.4 D. Estudios demográficos detallados.

Para la estimación de la población, en los estudios de planeamiento de servicios para los niveles de complejidad medio alto y alto, se considera una buena práctica realizar estudios demográficos detallados conducidos por profesionales en la demografía.

29

Métodos como el de los componentes demográficos, que analiza la variación en el tiempo de parámetros como la natalidad, la mortalidad, la emigración y la inmigración, son de gran utilidad y confiabilidad para obtener un sustento sólido a las proyecciones de población que permita una adecuada estimación de la demanda de los servicios y en ejecución de obras, que usualmente involucran importantes inversiones del municipio así su endeudamiento por varios años. Solo una adecuada proyección de población y de demanda de los servicios permitirá un óptimo aprovechamiento de estos recursos.

1.4.6.5 Método de la tasa decreciente de crecimiento.

La experiencia indica que cuando mayor se hace una ciudad en virtud de su desarrollo, menor será la tasa anual de crecimiento, conforme la población se acerca de valor de saturación. La suposición de una tasa decreciente de crecimiento es uno de los métodos más confiables para estimar poblaciones futuras, especialmente si se comprueba con ciudades comparables que han excedido ya la población actual de la ciudad que se está considerando. Matemáticamente, este decrecimiento del porcentaje de incremento se traduce en una corrección de la fórmula del método geométrico y se calcula la constante Kd, mediante la expresión deducida de :

)( PSKt

Pd

Dónde:

S Población de saturación

P Población histórica

dK Constante de la tasa decreciente de crecimiento.

t)PS(KP d

Integrando:

ti

tod

Pi

PotK

)PS(

P

)PS(U ; PU

-

Ui

Uo

ti

tod tK

U

U

-

)( oido

ittK

U

ULn

;

30

oi

o

i

d

tt

PS

PSLn

K

Para una población futura: oi

o

i

tt

PS

PSLn

Kd

Luego: eifd ttK

if PSSP)(

)(

Ejemplo Población de saturación S = 62.000 habitantes Censo 1.995 P2 = 36.203 hab. Censo 1.983 P1 = 27.262 hab. Período intercensal entre 𝑡2 y 𝑡1 = 11 años = 351 días = 11,96 años

12

1

2

tt

PS

PSLn

K d

02488.096.11

262.27000.62

000.36000.62

Ln

Kd

Calcular la población futura a junio 30 / 2.020 Período intercensal entre tf - to = 24 años + 255 días = 24,6986 años

𝑃𝑓 = 𝑆 − (𝑆 − 𝑃𝑖) ∗ 𝑒−𝐾𝑑(𝑡𝑓−𝑡𝑖) = 62000 − (62000 − 36203) ∗ 𝑒−0.02488 (24.6996) = 48046 hab

1.4.6.6 Ajuste por población flotante y población migratoria

El cálculo de la población por abastecer debe considerar actividades turísticas, laborales, industriales y/o comerciales que representen población flotante. Debe ajustarse la proyección de la población para tener en cuenta la población flotante, de acuerdo con los estudios socioeconómicos disponibles para la población.

En caso de que existan posibilidades de migración hacia el municipio, ésta debe tenerse presente en los estudios de proyección de la población.

En caso de que no existan datos, el diseñador debe proyectar la población utilizando alguna metodología especial establecida de común acuerdo con el contratante.

31

1.4.6.7 Etnias minoritarias

En caso de que en el municipio objeto de la construcción o ampliación de un sistema de acueducto exista una etnia minoritaria, la proyección de la población de ésta debe ser objeto de un estudio individual detallado.

1.5 EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN

Calcular la población de diseño y el nivel de complejidad para el Municipio de San Pedro según los siguientes censos del DANE, ver Tabla 11. La capacidad económica del municipio es media – baja

2.

Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro Método aritmético

Tomando los datos censales correspondientes a los periodos 1993 – 2005, vamos a proyectar la

población a 25 años a partir del 2012 o sea año 2037, sería así:

Calculo de K promedio:

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 2005 𝑦 1993 𝐾1 =31806 − 26553

2005 − 1993= 437,75

𝐾 = 437,75 Calculo de población futura año 2037

𝑝𝑓 = 𝑝𝑖 + 𝐾 ∗ (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) = 31.806 + 437,75 ∗ (2037 − 2005) = 45814 ℎ𝑎𝑏

Calculo de población futura año 2042

𝑝𝑓 = 𝑝𝑖 + 𝐾 ∗ (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) = 31.806 + 437,75 ∗ (2042 − 2005) = 48003 ℎ𝑎𝑏

2 Los cálculos realizados a continuación son solucionados en calculadora, por su carácter académico, si estos cálculos se

realizan en Excel, los resultados variarán.

AÑO POBLACIÓN

1993 26.553

2005 31.806

2010 34.402

32

Método exponencial o logarítmico Aplicando los datos censales del municipio de San Pedro, encontrar la proyección de la población a 25 años y a 30 años, mediante el método exponencial: Calculo de K promedio.

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 2005 𝑦 1993.

𝐾1 =Ln 31806 − 𝐿𝑛 26553

2005 − 1993= 0.015

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 2010 𝑦 2005

𝐾2 =Ln 34402 − 𝐿𝑛 31806

2010 − 2005= 0.016


𝐾1 =Ln 34402 − 𝐿𝑛 26553

2010 − 1993= 0.015

𝐾𝑚 =𝐾1 + 𝐾2 + 𝐾3

3= 0.0153

Aplicando la fórmula de crecimiento exponencial

𝑃𝑓 = 𝑃𝑖 ∗ 𝑒𝑘(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

Población futura a 25 años, a partir del 2012

𝑃𝑓 = 34.402 ∗ 𝑒(0.0153)(2037−2010) = 51998 ℎ𝑎𝑏.

Población futura a 30 años, a partir del 2012

AÑO POBLACIÓN

1993 26.553

2005 31.806

2010 34.402

33

𝑃𝑓 = 34.402 ∗ 𝑒(0.0153)(2042− 2010) = 56132 ℎ𝑎𝑏. Método geométrico Del ejercicio anterior aplicar el método geométrico, para calcular la población a 25 y a 30 años.

Calculo de r promedio

𝑟 = (𝑃2

𝑃1)

1𝑇2−𝑇1

− 1


𝑟1 = (31806

26553)

12005−1993

− 1 = 0.0152 𝑟1 = 1.52%


𝑟2 = (34402

31806)

12010−2005

− 1 = 0.0158 𝑟2 = 1.58%


𝑟3 = (34402

26553)

12010−1993

− 1 = 0.0154 𝑟3 = 1.54%

Efectuando un promedio de r se obtiene:

𝑟 = 1.52 + 1.58 + 1.54

3= 1.55%

Para el año 2037 la población final a partir del año de diseño en este caso 2012 será:

AÑO POBLACIÓN

1993 26553

2005 31806

2010 34402

34

𝑃𝑓 = 34402 ∗ (1 + 0.0155)2037−2010 = 52112 𝐻𝑎𝑏

Para una proyección de 30 años año 2042 tenemos que:

𝑃𝑓 = 34402 ∗ (1 + 0.0155)2042−2010 = 56278 𝐻𝑎𝑏

Calculo del nivel de complejidad Según el ejemplo anterior, el municipio de San Pedro con población proyectada a 25 o a 30 años, no sobrepasa los 60.000 habitantes, analizando la Tabla 8, obtenemos que el nivel de complejidad del municipio de San Pedro es MEDIO ALTO. Calculo del periodo de diseño

Como lo determinamos anteriormente, el nivel de complejidad es Medio Alto, con lo cual según la Tabla 9, nos indica que el periodo máximo de diseño para el municipio de San Pedro, será de 25 años. Calculo final de población proyectada Según la Tabla 10, tenemos que para el Municipio de San Pedro, los métodos a emplear serian el aritmético, geométrico y exponencial, los otros métodos se refieren a estudios demográficos detallados, y el detalle de zonas y densidades, etc. La ampliación de estos métodos se observa en el titulo B de la RAS 2010. Para nuestro caso de estudio, se debe proyectar la población a 25 años, con lo cual tenemos que el análisis para los tres métodos, se detalla en la Tabla 12:

La Tabla 12, presenta el resumen de las proyecciones poblacionales para el municipio de San Pedro a 25 y 30 años.

Tabla 12. Proyección de población por métodos aritmético, geométrico y exponencial

AÑO/ POBLACIÓN

ARITMÉTICO GEOMÉTRICO EXPONENCIAL PROMEDIO

Habitantes Habitantes Habitantes Habitantes

2037 45.814 52.112 51.998 49.975

2042 48.003 56.272 56.132 53.469

Teniendo en cuenta que el análisis se realizará para un periodo de 25 años, por lo tanto la proyección empleada es para el 2037, según los datos de la Tabla 12, observamos que los datos del método geométrico y exponencial son relativamente similares, sin embargo varia el método aritmético, por lo tanto es conveniente hacer un promedio de estos tres métodos. Con lo cual la población de diseño es de 49.975 habitantes.

35

1.6 CALCULO DE CONSUMO DE AGUA PARA VARIOS FINES

Para hacer una inteligente aplicación de los datos relativos al uso del agua, es deseable tener algún conocimiento acerca del consumo del agua para varios fines. Este dato es de gran importancia en el diseño de las diferentes partes de un sistema de distribución. Los diferentes usos de agua pueden ser clasificados en siete clases:

1.6.1 USO DOMÉSTICO (RESIDENCIAL)

Incluye el agua suministrada a las casas, hoteles, etc., con fines sanitarios, bebida, lavado, riego de jardines, etc. Varía según las condiciones de vida de los consumidores, siendo la variación usual entre 38 y 227 L/Hab/día y en promedio de 132 a 150 L/Hab/día. El consumo doméstico puede ser cerca del 30% del total de la ciudad promedio. Se presenta a título informativo los siguientes rangos para los diferentes consumos domésticos:

Consumo doméstico L/Hab/día

Aseo personal 20 - 75 Cocina 10 - 30 Lavado de ropa 15 - 20 Inodoros 30 - 50 Lavado de pisos 5 - 10 Rociado de plantas 5 - 15

Consumos futuros Estimado el consumo actual éste puede incrementarse de acuerdo con la evolución de los factores que afectan el consumo. Los métodos para proyectar el consumo, en función de la población son:

1. Método de Planeación Nacional.

014.0

8.1)//(

LogPdíaHablConsumo

Donde P = Población actual o futura

2. Por otra parte, los análisis estadísticos para comunidades de Estados Unidos muestran que el consumo se incrementa en un 10% del incremento de población.

Tomando en cuenta los datos pasados y presente de los consumos de una localidad podemos proyectar los consumos en base a la expresión:

n

f rCoC )1(

Dónde:

Cf = Consumo futuro.

Co = Consumo inicial.

36

r = tasa de crecimiento del consumo, calculada en base datos de consumo

pasados y presentes

1.6.2 USO COMERCIAL

Para establecer el uso comercial, el diseñador debe utilizar un censo comercial y realizar un estimativo de consumos futuros. El diseñador debe cuantificar y analizar detenidamente la dotación comercial de acuerdo con las características de dichos establecimientos. Deben estudiarse los consumos puntuales o concentrados de demandas. El uso comercial también incluye el uso en oficinas.

1.6.3 USO INDUSTRIAL

Incluye el agua suministrada a las plantas industriales. Su importancia dependerá de las condiciones locales, tales como la existencia de grandes industrias. El uso industrial fluctúa entre el 15% y 65% del total; en promedio, el 32%. Para estimar el uso industrial, el diseñador debe utilizar censos industriales y estimativos de consumos futuros. El diseñador debe cuantificar y analizar detenidamente la dotación industrial de acuerdo con las características de dichos establecimientos. Deben estudiarse los consumos puntuales o concentrados demandados con el fin de establecer los posibles grandes consumidores.

1.6.4 USO RURAL

En caso de que el municipio objeto de la construcción de un nuevo sistema de acueducto o la ampliación del sistema de acueducto existente tenga que abastecer población rural, el diseñador debe utilizar los datos del censo rural y estimar los consumos futuros. El diseñador debe cuantificar y analizar detenidamente la dotación rural de acuerdo con las características establecidas en el censo.

1.6.5 USO PARA FINES PÚBLICOS

El consumo para uso público utilizado en los servicios de aseo, riego de jardines y parques públicos, fuentes públicas y demás, se estimará entre el 0 y el 3% del consumo medio diario doméstico, siempre y cuando no existan datos disponibles. En caso de que estos datos existan, servirán para establecer la proyección del uso público en el municipio.

1.6.5.1 Uso escolar

En caso de que en el municipio objeto de la construcción de un nuevo sistema de acueducto o de la ampliación del sistema existente se localice una concentración escolar importante que implique la permanencia durante el día de una población adicional, el diseñador debe analizar y cuantificar detenidamente la dotación de uso escolar de acuerdo con las características de los establecimientos de educación.

37

1.6.5.2 Uso institucional

Deben identificarse los establecimientos y predios que requieran una dotación especial debido a las características de sus actividades, tales como hospitales, cárceles, hoteles etc.

1.7 CALCULO DE DOTACIONES

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

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

365321 ......... qqqqQt

P

Qtqm

*365

Dónde:

mq = consumo medido expresado en lt/Hab/día

P = Población servida (no la población total) Los factores que pueden influir en el consumo medio diario son: - Tamaño de la población: A mayor tamaño mayor consumo, por los usos limitados en

poblaciones pequeñas.

En una ciudad pequeña es probable que existan áreas más grandes servidas inadecuadamente por acueducto y alcantarillado que en una ciudad grande. El consumo por persona tiende a crecer a medida que la población aumenta.

- El alcantarillado, su ausencia tiene un efecto considerable sobre el consumo : en una

casa sin alcantarillado, su consumo no excede a 38 lt/Hab/día. Una casa media con alcantarillado iguala o excede a 100 lt/Hab/día.

- Calidad del agua: a mejor calidad del agua mayor consumo.

38

- Presión: un incremento en la presión tendrá un efecto igual al anterior. - Clima: en regiones áridas donde los veranos son calientes y secos se usa agua para

regar, el consumo doméstico se incrementa por más baños y el consumo público será afectado por más riegos de parques, zonas de recreación, etc.

- Características de la población: depende del estado económico de los consumidores.

En una zona residencial el consumo es alto. En zonas suburbanas muchas veces poseen un solo grifo y no poseen alcantarillado.

- Uso de medidores: la carencia de medidores tiene un efecto definido sobre el consumo

de agua. La instalación de medidores reduce el consumo de agua. Si se colocan medidores en toda una ciudad el consumo se reducirá en un 50% del consumo sin medidor.

1.7.1 DOTACIÓN NETA

La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida, para satisfacer las necesidades básicas de un suscriptor o de un habitante, dependiendo de la forma de proyección de la demanda de agua, sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. Existen cuatro métodos para calcular la dotación neta, estos son:

a) Dotación por suscriptores b) Dotación por habitante c) Según el uso del agua d) Comparación con barrios, sectores o municipios similares

1.7.1.1 Dotación por suscriptores

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

Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad

Nivel de complejidad del sistema

Dotación por suscriptor (m

3/sus*mes)

climas templado y frío

Dotación por suscriptor (m

3/sus*mes)

clima cálido

Bajo 10,8 12,0

Medio 13,8 15,0

Medio alto 15,0 16,2

Alto 16,8 18,0

39

Fuente: RAS Titulo B (2010) Para propósitos de la tabla anterior se considera como clima cálido aquella zona del territorio nacional que se encuentre por debajo de 1000 m.s.n.m.

1.7.1.2 Dotación Neta por Habitante

En caso de que se opte por la opción para el cálculo de la demanda de agua, mediante la proyección de la población, la dotación neta por habitante es función del nivel de complejidad del sistema y sus valores máximos se deben establecer con la Tabla 14, mostrada a continuación.

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


Dotación neta (L/hab*día) climas templado y frío

Dotación neta (L/hab*día) clima cálido

Bajo 90 100

Medio 115 125

Medio alto 125 135

Alto 140 150

Fuente : RAS Titulo B (2010). Tabla B.2.3. Entiéndase por poblaciones con "Clima Frío o Templado" aquellas ubicadas a una altura superior a 1.000 metros sobre el nivel del mar y por poblaciones con "Clima Cálido" aquellas ubicadas a una altura inferior o igual a 1.000 metros sobre el nivel del mar.

1.7.1.3 Dotación neta según el uso del agua

En la evaluación de las dotaciones netas de agua para un municipio se pueden tener dotaciones diferentes para cada uno de los usos de agua que existan en el municipio: residencial, comercial, industrial, institucional, fines públicos, escuelas y usos en zonas rurales anexas al municipio. Todos estos deben considerarse en las dotaciones y las demandas de agua, tanto actuales como proyectadas. Sin embargo, para aquellos sistemas de acueducto donde los consumos del uso residencial representen más del 90% del consumo total de agua potable, el cálculo de agua se puede realizar teniendo en cuenta únicamente la dotación neta residencial sumándole a esta un porcentaje que tenga en cuenta los otros usos en forma agrupada según los datos de consumo existentes. En caso contrario, el cálculo de la demanda de agua potable debe hacerse en forma desagregada para cada uno de los usos principales y para cada uno de ellos el diseñador y/o el operador deben determinar las dotaciones netas, teniendo en cuenta lo establecido en los siguiente literales.

Uso comercial

Para aquellas zonas del municipio en donde se tenga un uso comercial de agua, se deben tener en cuenta las dotaciones mostradas en la Tabla 15.

40

Tabla 15. Consumo mínimo en comercios

Tipo de Instalación Consumo de agua

Oficinas (cualquier tipo) 20 L/m2/día

Locales comerciales 6 L/m2/día

Mercados 100 L/local/día

Lavanderías de autoservicio 40 L/kilo de ropa seca

Clubes deportivos y servicios privados 150 L/asistente/día

Cines y teatros 6 L/asistente/día

Uso industrial

En caso que en el municipio, en la zona del municipio objeto del diseño o en la expansión de un sistema de agua potable, exista uso industrial, se deben tener en cuenta las dotaciones establecidas en la Tabla 16, mostrada a continuación.

Tabla 16. Consumo de servicio para personal en las industrias

Tipo de instalación Consumo de agua

(L/trabajador/jornada)

Industrias donde se manipulen materiales y sustancias que ocasionen desaseo.

100

Otras industrias 30

Nota: El consumo para el proceso se obtiene para caso particular.

Adicionalmente, en caso que en la zona del municipio objeto del diseño se tenga discriminado el tipo de industria, se deben utilizar las dotaciones establecidas en la Tabla 17.

Tabla 17. Consumos para producción de algunos tipos de industria

Industria Rango de consumo (m3/día)

Azucarera 4.5 – 6.5

Química (a) 5.0 – 25.0

Papel y celulosa (b) 40.0 – 70.0

Bebidas (c) 6.0 – 17.0

Textil 62.0 – 97.0

Siderúrgica 5.0 – 9.0

Alimentos (d) 4.5 – 5.0

Notas: a) Variables de acuerdo con el producto.

b) Se indican sólo los índices de celulosa. c) Se tomó como representativa la cerveza.

d) Se tomó como representativa la industria de alimentos lácteos.

Uso rural

En aquellos casos en que el sistema de acueducto de un municipio incluya el abastecimiento de agua potable a una zona rural anexa, el diseñador o el operador deben utilizar los datos del censo rural para dicha zona con el fin de estimar los consumos futuros del agua potable.

41

Uso para fines públicos

Con el fin de incluir el consumo de agua potable para fines públicos, la RAS en el literal 3.3.1.5, establece que el uso de agua potable para zonas públicas utilizado en los servicios de aseo, riego de jardines y parques públicos, fuentes públicas y demás, el diseñador debe incluir una demanda de agua adicional entre el 0 y el 3% de consumo medio diario doméstico, siempre y cuando no existan datos disponibles. En el caso de otros consumos para fines públicos se deben tener en cuenta las dotaciones establecidas en la Tabla 18, mostrada a continuación.

Tabla 18. Consumos para fines públicos


Entretenimiento (teatros públicos) 6 L/asiento/día

Deportes al aire libre, con baño y vestidores 150 L/asistente/día

Recreación social (deportivos municipales) 25 L/asistente/día

Uso escolar

En aquellos casos en que la zona del municipio objeto del diseño incluya la localización de edificaciones destinadas al uso de actividades docentes y académicas, se deben tener en cuenta las dotaciones establecidas en la Tabla 19.

Tabla 19. Consumo para uso escolar

Tipo de instalación Consumo de agua

Educación elemental 20 L/alumno/jornada

Educación media y superior 25 L/alumno/jornada

Uso institucional

Las dotaciones máximas para el uso institucional del agua potable, que deben tenerse en cuenta por parte del diseñador y/o el operador de la persona prestadora del servicio se establecen en la Tabla 20 y en la Tabla 21.

Tabla 20. Consumo institucional


Salud Hospitales, clínicas y centros de salud. 800 L/cama/día

Orfanatos y asilos 300 L/huésped/día

Seguridad Cuarteles 150 L/persona/día

Cárceles 150 L/interno/día

Tabla 21. Consumo en hoteles

Clasificación

Consumos en hoteles (L/cuarto/día)

Municipios Turísticos Otros municipios

Clima templado y frio Clima cálido Clima templado y frio Clima cálido

Gran Turismo 1200 2000 600 1000

4 y 5 estrellas 900 1500 450 750

1 a 3 estrellas 600 1000 300 400

42

1.7.1.4 Correcciones a la dotación neta.

La dotación neta obtenida en los literales anteriores, puede ajustarse teniendo en cuenta estudios socioeconómicos del municipio, el costo marginal de los servicios y el efecto del clima en el consumo. En los niveles bajo y medio de complejidad este ajuste no puede superar el 20% del valor de la dotación neta establecido inicialmente. En los niveles de medio alto y alto de complejidad puede incrementarse la dotación neta para cierto tipo de consumidores por encima del 20%, siempre y cuando el aumento se produzca únicamente para algún tipo especial de consumo de los mencionados en el literal 1.6.

1.7.1.5 Efecto del tamaño de la población en la dotación neta

Para los niveles alto y medio alto de complejidad, la dotación neta puede corregirse teniendo en cuenta el efecto del tamaño de la población en el consumo, considerando que en una población de mayor tamaño pueden existir un número mayor de actividades que requieran agua, tales como máquinas de limpieza, lavado de automóviles, etc. El ajuste por tamaño de población debe ser justificado con registros históricos.

1.7.1.6 Corrección por sistema de alcantarillado existente

La dotación neta puede verse afectada por el sistema de alcantarillado en servicio en el municipio. Específicamente, si no existe alcantarillado o si la capacidad del alcantarillado es baja, debe asignarse la dotación mínima.

1.7.2 PÉRDIDAS TÉCNICAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO

Las pérdidas de agua en el sistema de acueducto corresponden a la diferencia entre el volumen de agua tratada y medida a la salida de las plantas potabilizadoras y el volumen de agua entregado a la población y que ha sido medido en las acometidas domiciliarias del municipio. De acuerdo con sus características, las pérdidas se clasifican en dos grandes grupos: técnicas y comerciales. Incluyen las fugas en tuberías y accesorios y en estructuras, como reboses en tanques de almacenamiento, plantas de tratamiento, etc. Por lo general estas se subdividen en visibles y no visibles. Para establecer el porcentaje de pérdidas físicas deben tenerse en cuenta los datos registrados disponibles en el municipio o en la persona prestadora sobre pérdidas de agua en el sistema de acueducto desde las plantas potabilizadoras, incluidos los consumos requeridos para las operaciones en la red de distribución. La resolución 2320/2009, nos indica que el mayor porcentaje de pérdidas técnicas no puede superar el 25% de la dotación neta.

1.7.2.1 Pérdidas comerciales en la red de distribución

Las pérdidas comerciales son aquellas relacionadas con el funcionamiento comercial y técnico de la persona prestadora del servicio. Estas pérdidas incluyen las conexiones fraudulentas, los

43

suscriptores que se encuentren por fuera de las bases de datos de facturación de la empresa y los caudales dejados de medir por imprecisión o deficiente operación de los micro medidores domiciliarios. Para propósitos de diseño de un nuevo sistema de acueducto o la parte nueva de uno existente, el porcentaje de pérdidas comerciales admisibles en la red de distribución debe ser como máximo el 7%. En caso de que la demanda de agua se haya calculado con base en la proyección de suscriptores, dicho porcentaje debe incluirse en el cálculo del caudal de diseño. En aquellos casos en que la demanda se haya calculado con base en la proyección de la población o número de habitantes, las pérdidas comerciales no deben tenerse en cuenta para el cálculo de los caudales de los sistemas de acueducto.

1.7.3 DOTACIÓN BRUTA

Es la cantidad máxima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante

considerando para su cálculo el porcentaje de pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto.

La dotación bruta para el diseño de cada uno de los componentes que conforman un sistema de

acueducto, indistintamente del nivel de complejidad, se debe calcular conforme a la siguiente

ecuación:

p

DD neta

bruta%1

Dónde: Dbruta: Dotación bruta

Dneta : Dotación neta

%p: pérdidas técnicas máximas admisibles

El porcentaje de pérdidas técnicas máximas admisibles en la ecuación anterior no deberá superar

el 25%.

1.7.4 CALCULO DE CAUDALES

El caudal, se relaciona a la demanda de agua que requiera la población en un periodo de diseño determinado. Para esto es necesario determinar el Qmd (Caudal medio diario), QMD (Caudal máximo diario), y el caudal máximo horario (QMH).

1.7.4.1 Caudal medio diario

El caudal medio diario, Qmd, es la suma del caudal medio residencial más la demanda por otros usos (Qou) más la demanda institucional Qi:

(Qmd ) = Qmr + Qou + Qi

44

Para obtener el caudal medio residencial (Qmr) aplicamos la siguiente ecuación:

86400

* brutaDServidaPoblaciónQmr

Dbruta: dotación bruta, dada en metros cúbicos/suscriptor mes. En esta ecuación 30 representa el número de días en el mes. Para obtener el caudal medio otros usos (Qou) aplicamos la siguiente ecuación: Qou = Q publico + Q escolar + Q comercial + Q institucional

𝑄 𝑝𝑢𝑏𝑙𝑖𝑐𝑜 = 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑢𝑠𝑜 𝑝𝑢𝑏𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑓𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎∗𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑢𝑠𝑜 𝑝𝑢𝑏𝑙𝑖𝑐𝑜

86400

𝑄 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑓𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 ∗ 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙𝑎𝑟

86400

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 ∗ á𝑟𝑒𝑎 ∗ 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙

86400

𝑄 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 = 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑓𝑢𝑡𝑢𝑟𝑎 ∗ 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

86400

1.7.4.2 Caudal medio diario total

El caudal medio diario total, Qmdt, es la suma del caudal medio diario más el caudal industrial. (Qmdt ) = Qmd + Qind

1.7.4.3 Caudal máximo diario

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

1* Qou)Qmr( KQMD

45

Dónde: QMD: caudal máximo diario Qmr: caudal medio residencial Qou: Caudal medio para otros usos k1: coeficiente de consumo máximo diario El coeficiente de consumo máximo diario, k1, se obtiene de la relación entre el mayor consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los datos registrados en un período mínimo de un año. En caso de sistemas nuevos, el valor del coeficiente de consumo máximo diario, k1, será 1.30.

1.7.4.4 Caudal máximo diario total

El caudal máximo diario total, QMDt, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas durante un período de un año más el caudal industrial. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1. El caudal máximo diario se calcula

mediante la siguiente ecuación:

QindQMDQMDt

Dónde: QMD: caudal máximo diario Qin : Caudal industrial

1.7.4.5 Caudal máximo horario

El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2, (véase 3.7.5) según la

siguiente ecuación:

2* KQMDQMH

En el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, K2, corresponde a un, valor comprendido entre 1.3 y 1.7 de acuerdo con las características locales.

1.7.4.6 Caudal máximo horario total

El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo horario más el caudal industrial según la siguiente ecuación:

QindQMHQMHt

46

1.7.5 EJEMPLO DE APLICACIÓN

Estimar las dotaciones y los caudales para el municipio de “San Pedro”, mediante el método de dotación neta por habitante, teniendo en cuenta el cálculo poblacional realizado anteriormente, y los siguientes datos: - Población en el 2037: 49.975 habitantes ( No existe población flotante) - Clima templado, altura sobre el nivel del mar, 1100 m - La localidad posee red de alcantarillado. - La localidad tiene una red deficiente y se proyecta colocar medidores. - Existen 10 establecimientos comerciales con un área promedio de 25 m

2 y se proyectan para

el futuro 25. - Existe una plaza de mercado con 20 locales y se proyectan a futuro ampliarlos a 35. - En la actualidad se tiene una instalación láctea, pero se proyectan en el futuro dos más. Se

proyecta en el futuro una instalación panelera. - Se está construyendo un polideportivo con capacidad de 300 personas. - Existe una concentración escolar a nivel medio que tiene 450 alumnos la cual dispondrá en el

futuro de 600 alumnos/día. - Existen dos hoteles Con 10 y 16 cuartos, que proyectan ampliarse en el futuro a 20 y 30

habitaciones. - La localidad posee un cuartel con 20 personas. - No se prevé protección contra incendios.

1.7.5.1 Datos preliminares

Depende del nivel de complejidad y la capacidad socioeconómica de la población CALCULO DE POBLACIÓN. Teniendo en cuenta el ejercicio anterior la población NIVEL DE COMPLEJIDAD: De acuerdo a la población y al nivel económico de la localidad se adopta un nivel de complejidad MEDIO ALTO.

1.7.5.2 Demanda de agua

Mediante la Tabla 22, podemos determinar la dotación neta doméstica.

Tabla 22. Determinación de la Dotación neta por habitante según el nivel de complejidad


Dotación neta (L/hab*día)

climas templado y frío

Dotación neta (L/hab*día) clima cálido

47

Bajo 90 100

Medio 115 125

Medio alto 125 135

Alto 140 150

Fuente : RAS Titulo B (2010). Tabla B.2.3. Por lo tanto la dotación neta por habitante de consumo doméstico será de 125 L/h*d

1.7.5.3 Consumos

a) Consumo doméstico: De acuerdo a la evaluación de las facturaciones se determinó un consumo doméstico actual de 125 L/ Hab/ día b) Consumo público = 125 *0.03 = 3.75 lt/hab/día. Polideportivo = 25 l/asistente /día c) Consumo escolar = 25 L /estudiante /día. d) Consumo Comercial Locales Comerciales = 6L/m

2/día

Plaza de mercado = 100 L/Local /día e) Consumo Institucional Cuartel = 150 L/persona /día Hotel = 300 L/cuarto /día f) Consumo Industrial Industria láctea = 5 m

3/día

Industria panelera = 6 m

3/día

1.7.5.4 Porcentaje de pérdidas

De acuerdo a la normatividad se estableció un porcentaje de pérdidas de 25% para cada dotación. DOTACIONES BRUTAS FUTURAS

Dotación Bruta residencial:

48

Dotación Bruta dhabL //7.16625.01

125

Dotación Bruta Pública:

Dotación Bruta dhabL //0.525.01

75.3

Dotación Bruta polideportivo dhabL //3.3325.01

25

Dotación Bruta Escolar:

Dotación Bruta destL //3.3325.01

25

Dotación Bruta Comercial:

Dotación Bruta locales comerc. diamL //825.01

6 2

Dotación Bruta plaza mercado. dialocalL //3.13325.01

100

Dotación Bruta Institucional:

Dotación Bruta Cuartel diapersonaL //20025.01

150

Dotación Bruta Hotel diacuartoL //40025.01

300

Dotación Bruta Industrial:

Dotación Bruta Ind. Lactea diamL //7.625.01

0.5 3

Dotación Bruta Ind. Panelera diamL //0.825.01

0.6 3

CALCULO DE LA DEMANDA DE AGUA El caudal medio diario ( Qmdt ) es la suma del caudal medio residencial más la demanda por otros usos (Qou) mas la demanda industrial Qi. Caudal medio residencial

sLs

hab

s

brutaDServidaPoblaciónQmr /42.96

86400

7.166*975.49

86400

*

49

Caudal medio otros usos (Qou):

sls

asistentesdiaasisentesl

s

habdiahablpublicoQ /01.3

86400

300*//3.33

86400

49975*//5

sLs

estuddiaestudlescolarQ /23.0

86400

600*//3.33

sLs

locdialocl

s

mdiamlcomercialQ /11.0

86400

35*//3.133

86400

)25*25(*//8 22

sLs

cuartosdiacuartol

s

personasdiapersonalinstitucQ /28.0

86400

50*//400

86400

20*//200.

Qou = Qpublico+Q escolar+Qcomerc.+Qinstituc = 3.0 + 0.23 + 0.11+ 0.28 = 3.62 l/s

sLs

dial

s

dialindustrialQ /24.0

86400

1*/6000

86400

3*/5000.

Q industrial (Qin): 0.24 L/ s Caudal medio diario total (Qmdt ) = Qmr + Qou + Qind = 96.42 + 3.62 +0.24 = 100.28 L/s Caudal Máximo Diario = QMD = (96.42 + 3.65) * 1.3 = 130.07 L/s Caudal Máximo Diario total = QMDt = 130.07 + 0.24 = 130.31 L/s Caudal Máximo Horario = QMH = 130.31 * 1.5 = 195.46 L/s Caudal Máximo Horario total = QMHt = 195.46 + 0.24 = 195.71 L/s El caudal de diseño será el QMDt = 130.31 L/s

50

2 TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA

En este capítulo se introduce al estudiante en los tipos de tratamiento del agua. Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas. Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta. También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y plantas de tecnología importada o de patente.

2.1 PLANTAS DE FILTRACIÓN RÁPIDA

Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300 m

3/m

2*d, de acuerdo con las características del agua, del medio filtrante y de los

recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones. Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante, devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la operación de la unidad. De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración directa.

2.1.1 PLANTA DE FILTRACIÓN RÁPIDA COMPLETA

Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación lenta para promover la rápida aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de floculación). La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas). El proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al agua. De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre de huevos de parásitos (Giardia, Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente, se lleva a cabo la desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas, las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función principal de este proceso es

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completar la remoción de microorganismos patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución. La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se verá detalladamente en el capítulo sobre desinfección, para remover huevos de parásitos se necesitarían aplicar dosis altísimas y disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de parásitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT puede producir un efluente exento de huevos de parásitos. Las altas tasas con las que operan estos sistemas, así como el empleo de la coagulación (proceso cuya operación requiere sumo cuidado), demandan recursos humanos capacitados, por lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas económicamente muy deprimidas. En los casos en que las características del agua cruda o el terreno disponible para construir la planta obliguen a adoptar este tipo de sistema, se deberán desarrollar las condiciones locales necesarias para asegurar una buena eficiencia en calidad y cantidad. En la Tabla 23, se indican los rangos de calidad del agua en los que puede considerarse esta alternativa de tratamiento.

Tabla 23. Límites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida completa.

Parámetros 90% del tiempo

80% del tiempo Esporádicamente

Turbiedad (UNT) ˂ 1.000 ˂800 ˂1.500; si excede, considerar

presedimentación

Color (UC) ˂150 ˂70

NMP de coliformes termotoletantes/100mL

˂600

Si excede de 600, se debe considerar predesinfección

Fuente: (Canepa de Vargas, 2004)

2.1.2 PLANTAS DE FILTRACIÓN DIRECTA

Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtración directa descendente. La Fig. 6, presenta una descripción de los componentes de un sistema de filtración directa, ascendente, está compuesto por una cámara de carga, en donde se recibe el agua a tratar, tubería

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de entrada donde se inyectan los coagulantes, un juego de válvulas que permite el lavado del filtro, medio de soporte compuesto por piedra y arena, y canaleta de agua filtrada.

Fig. 6. Esquema de filtración directa ascendente Fuente: Elaboración propia

Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa ascendente. La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa ascendente–descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100 UC. La Fig. 7, presenta la descripción del sistema compuesto por una cámara de carga, que recibe el agua a tratar, una tubería de entrada que incluye inyección de coagulante, filtro de grava y arena de flujo ascendente, conectado a continuación a un filtro de flujo descendente.

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Fig. 7. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente Fuente: (Canepa de Vargas, 2004) La Tabla 24, sintetiza los rangos de calidad de agua óptimos para cada alternativa de tratamiento mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la fuente, para estar bien seguros de su comportamiento estacional, sobre todo durante los ciclos lluviosos .

Tabla 24. Límites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa

Alternativa Parámetros 90% del tiempo

80% del tiempo Esporádicamente

Filtración directa descendente

Turbiedad (UNT) 25-30 ˂20 ˂50

Color verdadero (UC) ˂25

NMP de coliformes totales/1000mL ˂2.500

Concentración de algas (unidades/mL) ˂200

Filtración directa Turbiedad (UNT) ˂100 ˂50 ˂200

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ascendente Color (UC) ˂60 ˂100

Filtración directa ascentente-descendente

Turbiedad (UNT) ˂250 ˂150 ˂400

Color (UC) ˂60 ˂100

(Canepa de Vargas, 2004)

2.1.3 PLANTAS DE FILTRACIÓN LENTA

Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen. Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son físicos y biológicos. Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, pre sedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta. Uno de los procesos más empleados es el de la tecnología de Filtración en Múltiples Etapas “FIME”, esta tecnología está conformada por dos o tres componentes o etapas principales de filtración. La opción de tres etapas, filtro dinámico, filtro grueso y filtro lento en arena FLA, se presenta en la Fig. 8.

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Fig. 8. Esquema de Filtración lenta tipo FIME. Fuente: Elaboración propia

Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos. La Tabla 25, presenta el número de procesos que debe tener la planta para diferentes rangos de turbiedad, color y contaminación microbiológica del agua cruda.

Tabla 25. Límites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta.

Procesos Parámetros 90% del tiempo 80% del tiempo Esporádicamente

Filtro lento

Turbiedad (UNT) ˂20 ˂10 ˂50

Color verdadero (UC) ˂15 ˂5

Concentración de algas (UPA/mL) 250

DBO5 (mg/L) 5

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NMP de coliformes totales/100mL 1.000

NMP de coliformes fecales/100mL 500

Filtro lento + prefiltro de grava

Turbiedad (UNT) 25

Color (UC) 15 ˂5 ˂25


NMP de coliformes fecales/100mL 1.000

Concentración de algas (UPA/mL) 1.000

Filtro lento + Prefiltro de grava +

sedimentador

Turbiedad (UNT) 100 ˂50 ˂500

Color (UC) ˂15 ˂5 ˂25




Filtro lento + Prefilltro de grava +

sedimentador + presedimentador

Turbiedad (UNT) 100 ˂50 ˂1.000

Color (UC) ˂15 ˂5 ˂25




Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

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3 PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA.

Los procesos unitarios, es una nueva clasificación de los procesos de tratamiento empleada a nivel mundial que nos permite, analizar el proceso de potabilización desde cada una de las operaciones unitarias que se llevan a cabo, porque estos procesos pueden ser aplicados en diferentes vectores ya sea en suelo o aire, sin embargo enfatizaremos en el vector agua, por ser el que nos concierne en el campo de la potabilización. Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por los seres humanos. Un proceso unitario son aquellas transformaciones en las que existe la presencia de una reacción química de por medio y que involucran una o varias operaciones unitarias. Una operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el estado de una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno al agua (transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido carbónico contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el proceso de aireación.

Los principales Procesos Unitarios empleados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: — transferencia de sólidos; — transferencia de iones; — transferencia de gases, y — transferencia molecular o de nutrientes.

3.1 TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS

Se consideran en esta clasificación las operaciones unitarias de cribado, sedimentación, flotación y filtración.

3.1.1 CRIBADO O CERNIDO

Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación. En la Fig. 9, se observa las rejillas de una planta de tratamiento de la costa Colombiana, estas rejillas son el primer paso en el tratamiento, el agua a tratar proviene de la desembocadura del r io

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Magdalena, tienen una amplia separación de barras, que permite retener únicamente los sólidos muy gruesos, y su limpieza es manual.

Fig. 9. Rejillas Planta de Tratamiento Triple A. Barranquilla. Primera etapa

Fuente. Elaboración propia. La Fig. 10, presenta el segundo paso en el proceso de potabilización, estas rejillas tienen una menor separación de barra, y además su limpieza es mecánica.

Fig. 10. Rejillas mecánicas. Segunda etapa

Fuente: Elaboración propia

3.1.1.1 Sedimentación

Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más densas. Este proceso se realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores; en estos últimos, con el

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auxilio de la coagulación. La Fig. 11, presenta la imagen de un desarenador convencional empleado en acueductos.

Fig. 11. Desarenador convencional Fuente: Elaboración propia.

La Fig. 12, nos presenta la imagen de un sedimentador de alta taza de placas inclinadas, empleado en procesos de potabilización de agua.

Fig. 12. Sedimentador de Alta taza Fuente: Elaboración propia.

3.1.1.2 Flotación

El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Los agentes de

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flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire, .uno de los procesos para tratamiento de aguas más empleado en nuestro medio, es el de la trampa de grasas, la

Fig. 13, nos presenta un esquema de los componentes de una trampa de grasas.

Fig. 13. Esquema de una trampa de grasas. Fuente: Elaboración propia

3.1.1.3 Filtración

Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso. Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados además de la arena —que es el más común — son la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles.

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La Fig. 14, nos presenta la imagen de uno de los filtros de la planta de potabilización de Barranquilla, vacío debido a la condición de lavado del filtro, se puede observar muy bien cada una de sus partes, como tubería de entrada (inferior), medio de soporte (arena), canaleta de lavado (centro).

Fig. 14. Filtro de Arena, vaciado Fuente: Elaboración propia

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Fig. 15. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración.

Fuente: Elaboración propia.

3.2 TRANSFERENCIA DE IONES

La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y hierro. Las condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color.

3.2.1 PRECIPITACIÓN QUÍMICA

La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal. La Fig. 16, nos indica el sistema de dosificación de coagulante empleado en la triple A de Barranquilla, compuesto por bombas y tanque de mezcla.

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Fig. 16. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla

Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla) La Fig. 17, nos presenta el sistema de aplicación del coagulante de la Triple A de Barranquilla. La aplicación se realiza generalmente mediante dispositivos hidráulicos, como son las Canaletas Parshall o los resaltos hidráulicos, en la figura Fig. 17, el dispositivo de mezcla es un resalto hidráulico.

Fig. 17. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla)

Adición coagulante

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3.2.2 INTERCAMBIO IÓNICO

Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera introduciéndola en un recipiente con una solución saturada de sal.

3.2.3 ADSORCIÓN

La adsorción consiste en la remoción de iones y moléculas presentes en la solución, concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo.

3.3 TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR

Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aireación, desinfección y recarbonatación.

3.3.1 AIREACIÓN

La aireación se efectúa mediante caídas de agua en escaleras, cascadas, chorros y también aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores. La Fig. 18, presenta un sistema de aireación en cascada mediante bandejas.

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Fig. 18. Sistema de Aireación en cascada Fuente: Nestor Iván Sánchez (2013), Bandejas de aireación. Tomada del sitio: http://nesvin-aireacion.blogspot.com/ (Fecha de actualización 3 de septiembre 2013).

Desinfección

Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada, para la eliminación de microorganismos patógenos.

Re carbonatación

Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente después del ablandamiento.

3.3.2 TRANSFERENCIA MOLECULAR

Proceso en el cual organismos saprofitos convierten sustancias orgánicas complejas en materia celular viviente y en materia más simple ó más estable incluyendo los gases de descomposición y los organismos fotosintéticos convierten a las sustancias simples principalmente inorgánicas, en material celular, utilizando la luz solar, produciendo como sub-producto el oxígeno y el bióxido de carbono. Estos procesos son empleados usualmente en el tratamiento de aguas residuales y no para potabilización, debido a que requieren una considerable cantidad de nutrientes en el agua a tratar. Son ejemplos:

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a) La destrucción o biodegradación aeróbica.

b) La destrucción o biodegradación anaeróbica.

c) La producción de algas y vegetación acuática mayor, en presencia de nutrientes simples,

de plantas y luz solar.

3.4 OTROS PROCESOS UTILIZADOS

Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la fluorización.

Estabilización de solutos

La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma inocua, sin llegar a su remoción. Son ejemplos de este proceso la transformación del anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la transformación de ácido sulfhídrico en sulfato.

Desalinización

Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis inversa, etcétera.

Fluorización

Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños menores de 5 años.

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4 PRE TRATAMIENTOS

Esta es la primera tecnología que se emplea en el proceso de potabilización, es útil para eliminar los sólidos gruesos y sedimentables, así como proteger a la planta de partículas gruesas que dificulten el tratamiento, en sus etapas posteriores. La mayoría de los pretratamientos empleados corresponden al grupo de los procesos unitarios de transferencia de sólidos, para tecnología convencional. Esta consiste en una estructura de entrada compuesta por un canal de entrada y una rejilla que retenga los sólidos gruesos provenientes de la estructura de captación. Es por este motivo que como parte práctica se desarrollará un ejemplo de diseño de un canal de entrada y rejilla, para una población tipo. Los pre tratamientos más empleados son:

Desarenadores;

Presedimentadores o embalses.

Rejilla y canal de aducción

4.1 DESARENADORES

Estas unidades tienen por objeto remover la arena, la gravilla y las partículas minerales más o menos finas que acarrea el agua cruda, con el fin de evitar que se depositen en los conductos, Asimismo, buscan proteger las bombas y otros equipos de la abrasión y evitar que este material rellene las unidades de tratamiento restándoles capacidad. Normalmente tienen forma rectangular y están compuestos por varias zonas, zona de entrada 2, sedimentación 3, de almacenamiento de lodos (4) y salida (5), una descripción de ellas se observa en la Fig. 19.

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Fig. 19. Zonas de un desarenador. Fuente: (Villegas de Brigard, 2008)

4.2 CANAL DE ENTRADA Y REJILLA

El primer paso en el tratamiento del agua potable y residual consiste en la separación de los sólidos gruesos, este proceso se enmarca dentro del proceso unitario de transferencia de sólidos, y se denomina desbaste o cribado. El procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual bruta a través de rejas de barras. Las rejas de barras suelen tener aberturas libres entre barras de 15 mm o mayores. Las rejas de barras pueden limpiar manual o mecánicamente. Las características de ambos tipos de comparan en la Tabla 26.

Velocidad del flujo en la rejilla La velocidad efectiva del flujo a través de la rejilla debe ser inferior a 0.15 m/s, con el fin de evitar el arrastre de materiales flotantes.

Tabla 26. Características de las Rejillas

Características De limpieza manual De limpieza mecánica

Ancho de las barras 0,5 - 1,5 cm 0,5 - 1,5 cm

Profundidad de las barras 2,5 - 7,5 cm 2,5 - 7,5 cm

Abertura o espaciamiento 2,5 - 5,0 cm 1,5 - 7,5 cm

Pendiente con la vertical 30° - 45° 0° - 30°

Velocidad de acercamiento 0,3 - 0,6 m/s 0,6 - 1 m/s

69

Pérdida de energía permisible 15 cm 15 cm

Fuente: Romero Rojas, 2008

4.2.1 CANAL DE ENTRADA

Para el dimensionamiento de las rejillas es necesario diseñar el canal por el cual será conducida el agua hacia el proceso de tratamiento, para posteriormente compararlo con parámetros de velocidad y abertura de barras sugeridos, el modelo de cálculo se presenta a continuación: Aplico la ecuación de Manning

3/2

2/1ARh

S

Qn

Dónde:

Q =Caudal de diseño Caudal Máximo Diario (QMD )

S = Pendiente del canal (adimensional)

A = Area del canal m2

Rh = Radio hidráulico, m

Reemplazo en la ecuación de maning el radio hidráulico, aplico el criterio de la sección rectangular

óptima (b=2h), remplazo y calculo h.

Calculamos el área y obtenemos la velocidad del flujo

h

b

)2( hb

bhRh

A

QV

70

4.2.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

La Fig. 20, presenta los componentes de una rejilla.

a/2 a a a a/2

t t t t t t t

B

L

Fig. 20. Rejilla con barras paralelas

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

baNAN **

LbbtNbaNAt *****

LtaN )(

ta

a

tabN

baN

A

Ae

t

N

)(*

**

71

Atta

aeAA tN

Despejando en función de la longitud de rejilla, L

LbeLbta

aAN ****

Despejo L

be

AnL

*

Procedimiento de cálculo:

- Se supone : L y se calcula b

- Cálculo del número de barras = N orificios = ta

L

Fig. 21. Rejilla lateral inclinada

Se asume b y se calcula la longitud L.

Para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla se aplica la fórmula de Kirschmer dada en el cálculo de pérdidas de rejillas Romero Rojas, 2008.

H1b

N.A. Mín

72

Donde: H = Pérdida de energía, m

= factor de forma de las barras

= 2.42 para barras rectangulares de caras rectas

= 1.67 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba y abajo

= 1.83 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba

= 1.79 para barras circulares t = ancho máximo de la sección transversal de las barras, en la dirección del flujo a = Separación entre barras Hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación,m

= ángulo de la rejilla con la horizontal

4.3 EJEMPLO DE DISEÑO

Diseñar el canal de entrada y la rejilla inclinada para el la población de San Pedro. De acuerdo con Tabla 26, los parámetros de diseño de la rejilla son: Datos iniciales:

Caudal 𝑄 = 130.31𝐿

𝑠∗

1𝑚3

1000 𝐿= 0.13 𝑚3

Pendiente del canal = 0.1% = 0.001 Coeficiente de rugosidad de Manning n = 0.014

a) Cálculo del canal de entrada

Aplicamos la ecuación de Manning (López Cualla, 2008)

Remplazando el área y el radio hidráulico tenemos que:

senhva

tH *

3/4

n

SARhQ

2/13/2

)2( hb

bhRh

2/1

3/2

*)2(

*)*(

Shb

bhhbQn

73

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

Dónde: h = nivel de agua en el canal de entrada Remplazando

mh 31.0

Por seguridad aumento 9 cm (10-30% de h) con lo cual h = 0.40

Por lo tanto b = 2*h = 0.80 m

b) Cálculo del área transversal de flujo en el canal

Por lo tanto el área transversal del flujo es:

A = b * h = 0.8m * 0.31m = 0.25 m2

Una vez obtenida la sección del canal se determina la velocidad del flujo

smm

sm

A

QV /52.0

25.0

/13.02

3

3/2

3/2

2/1 2*

hb

bhhbAR

S

Qn

3/223/22

2

3/2

2/1)

2(2)

4

2(2

2*

hh

h

hh

hb

bhhb

S

Qn

)8/3(

2/1*79.0

S

Qnh

hsm

)8/3(

2/1

3

)001.0(

014.0*/13.0*79.0

74

Chequeo con la Tabla 26 la velocidad de aproximación para rejillas de limpieza manual tiene que estar entre 0.3 – 0.6 m/s. Por lo tanto Cumple con los requerimientos

c) Dimensionamiento rejilla

Se adoptan barrotes de ½” (1.27 cm), con una separación entre ellos de 3 cm. Por otra parte, la velocidad entre barrotes igual a 0.52 m/s, que es la velocidad de aproximación en el canal (López Cualla, 2008).

Datos de diseño:

Parámetro Valor Unidad

C 0.5 a espaciamiento libre 3 cm

t espesor barrotes 1.27 cm

V 0.52 m/s

L rejilla = Lcanal – 0.2m 0.60 m

Angulo ° 45

Cálculo del área canal

Ac =Q

V=

0.13m3/s

0.52m/s= 0.25 m2

Cálculo de la lámina de agua, como el ancho de canal es 0.8, la altura de la lámina de agua será (Romero Rojas, 2008):

Longitud de la rejilla

Cálculo del ancho de la rejilla Br = 2 * h = 0.62m

Cálculo del número de orificios

N = 35.100127.003.0

44.0 2

mm

m

ta

Lr

msensen

hLr 44.0

45

31.0

mm

m

Ac

Ah 31.0

80.0

25.0 2

75

Se adoptan 10 orificios, separados entre si 0.03m, con lo cual se tienen las siguientes condiciones finales:

Recalculo el área neta

An = a ∗ Br ∗ N = 0.03 ∗ 0.62 ∗ 10 = 0.19m2

Chequeo la velocidad

smm

sm

An

QV /76.0

19.0*9.0

/13.0

*9.0 2

3

Dentro del rango, para rejillas de limpieza mecánica.

Chequeo Longitud de rejilla

Similar a la anterior OK.

d) CALCULO DE PÉRDIDAS MENORES

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

Dónde: H = Pérdida de energía, m

= 1.79 para barras circulares t = 1.27 cm a = 3 cm

= 45

sena

tK *

3/4

4.045*3

27.179.1

3/4

senK

g

KVH

2

2

mBra

taAnLr 60.0

66.0*03.0

)0127.003.0(*28.0

*

)(*

cmmsm

smH 12.1012.0

/281.9*2

)/76.0(*4.0

22

76

Chequeo con la Tabla 26, H debe ser menor de 0.15m, por lo tanto el diseño es correcto.

e) Esquemas de diseño

Fig. 22. Esquema canal de Entrada y Rejilla. Vista en Planta

Fig. 23. Corte A – A´

77

Fig. 24. Corte B – B´

Fig. 25 Vista frontal. Rejilla

78

Fig. 26 Esquema 3D del canal y la rejilla de entrada

79

5 COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA

La coagulación a escala industrial no fue empleada hasta principios del siglo XIX y fue consecuencia de la observación de lo que podía lograrse mediante la adición de electról itos. Schultze y Hardy estudiaron estas reacciones y plasmaron los resultados en las hoy llamadas reglas de Schultze (1882) –Hardy (1901). En ellas se dice que la coagulación es provocada por iones que tienen una carga opuesta a la de las partículas coloidales y que el poder coagulante de un ión depende en gran medida de su valencia. Así, un ión divalente es entre 30 y 60 veces más eficaz que otro monovalente, y uno trivalente; unas 700 a 1000 veces más que el monovalente (RODRIGUEZ, 2006).

Existe también una serie que clasifica los iones según su efectividad en la coagulación de coloides hidrófobos, denominada serie de Hofmeister (1850 -1922):

Fe3+>

Al3+

>Zn2>Ba

2+>Ca

2+>Mg

2>Li

+>Na

+>K

+

Posteriormente se comprobó que el efecto neto de la adicción de electrolitos es disminuir el espesor de la doble capa eléctrica, cuando la cantidad de electrolito es suficiente para reducir la barrera de la capa doble, se produce una coalescencia irreversible y la coagulación es rápida; sin embargo, cuando la cantidad de electrolito reduce solo parcialmente el espesor de la capa doble, la coagulación es lenta[1].

5.1 PARTÍCULAS COLOIDALES

El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas últimas destacan las partículas coloidales, las sustancias húmicas y los microorganismos en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga superficial negativa, que impide que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es preciso alterar algunas características del agua, a través de los procesos de coagulación, floculación, sedimentación (o flotación) y filtración. No hay límites definidos de tamaño para las partículas coloidales pero por lo general se considera que tienen una dimensión entre 1 y 1,000 milimicrones aproximadamente. En términos generales, los denominados coloides presentan un tamaño intermedio entre las partículas en solución verdadera y las partículas en suspensión. La Fig. 27 ilustra sobre el tamaño aproximado de las partículas y su distribución. Es necesario hacer notar, sin embargo, que en el caso de los coloides, sus dimensiones las define la naturaleza de los mismos.

http://campus.usal.es/~licesio/Sistemas_Coloidales/SC_05.pdf

80

Colides Particulas SuspendidasAtomos

y Molèculas

Algas

MicroscopioMicroscopio

Bacterias

Ultra

MicroscopioElectronico

Poros de papel de filtro

1

10-3

-610 10

-5

-210

10

10-2

-510

102 3

10

10-3

1

410

10-2

10

510

10-1

210

103

1

106

Milimetros (mm)

Micrones (µ)

Milimicrones (Mµ)

Fig. 27. Tamaño de las partículas suspendidas

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

Existen varios términos para distinguir los tipos de sistemas coloidales. Para el tratamiento de agua, los más importantes son hidrofílico e hidrofóbico. Los coloides hidrofílicos (del griego philos, querido) muestran gran atracción por el agua, mientras que los hidrofobicos (del griego phobe, fobia) muestran menos atracción. El calificativo hidrofobico (fobia al agua) es impropio ya que si una sustancia repele completamente un medio potencial de dispersión no podría siquiera ser mojada y tampoco habría dispersión. Lo cierto es que las sustancias hidrofóbicas muestran una atracción considerablemente menor por el agua que las hidrofílicas. Los coloides hidrofobicos son importantes en el tratamiento del agua e incluyen sustancias como arcillas y óxidos metálicos.

5.2 PROPIEDADES DE LOS COLOIDES

Los coloides ofrecen una variedad muy interesante de propiedades. A continuación presentamos las más importantes: Propiedades cinéticas

a. Movimiento Browniano. Una de las propiedades que más distingue a las dispersiones coloidales, es el que no pueden sedimentarse, aun cuando las partículas sean más densas que el líquido que las rodea. Consiste en el movimiento constante e irregular que realizan las partículas coloidales dentro de la fase líquida. Se llama así en honor al botánico escocés Robert Brown (1773-1858) quien fue el primero en describirlo, al notar los movimientos constantes de partículas provenientes del polen bajo el microscopio. La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo desigual y casual de las partículas en suspensión por las moléculas del líquido. Al elevarse la temperatura del líquido las moléculas adquieren mayor energía cinética y aumenta el movimiento browniano. Es importante recordar que el movimiento Browniano solo puede explicar la estabilidad de las dispersiones coloidales más pequeñas. Para tamaños de partículas mayores, los

http://b-log-ia20.blogspot.com/2010/09/disoluciones-y-dispersiones.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Brown

81

factores más importantes son corrientes de convección termal y velocidades bajas de sedimentación.

b. Difusión. Tiene relación estrecha con el movimiento Browniano. El movimiento constante de las moléculas del líquido (en nuestro caso agua) ocasiona que las partículas coloidales se encuentren en movimiento Browniano constante, lo que a su vez acarrea una tendencia de las partículas coloidales a dispersarse por todas partes en el disolvente, en este caso en el agua. Como es de esperarse la velocidad de difusión es menor que la velocidad media de las partículas en el movimiento Browniano.

c. Presión osmótica. Si un solvente (agua) y un sistema coloidal (agua + coloides) se encuentran separados por una membrana, la cual es permeable al solvente pero no a los coloides, la dilución puede ocurrir únicamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana. Esto ocurre en forma espontánea y se llama flujo osmótico. Si se aplica una presión hidrostática apropiada de forma que el flujo osmótico se detenga, se alcanza un estado de equilibrio. La presión balanceante es la presión osmótica. Esta propiedad es interesante ya que se pueden utilizar determinaciones experimentales de presión osmótica para calcular el número de partículas y el peso promedio de dicho número en sistemas coloidales.

Propiedades ópticas

Efecto de Tyndall-Faraday. Es un fenómeno físico que hace que las partículas coloidales en una disolución o un gas sean visibles al dispersar la luz. La dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas. El efecto de Tyndall-Faraday se utiliza en la determinación de la turbiedad por medio de un nefelómetro. Esta determinación, lamentablemente, no se relaciona en ningún caso con el número de partículas de turbiedad, ni siquiera con la masa total.

Propiedades de superficie (adsorción)

Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica, definida como relación entre el área superficial y la masa. La Tabla 27, muestra el efecto de la disminución del tamaño de las esferas sobre el área total superficial y el tiempo de sedimentación requerido. En la tabla se puede apreciar que es impracticable sedimentar las impurezas coloidales sin tratamiento químico previo. La gran superficie específica da a los coloides una gran capacidad de adsorción.

Tabla 27. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas

Diámetro de la partícula mm

Escala de tamaños

Área superficial total*

Tiempo requerido para sedimentar**

10

Grava

3.15 cm2

0.3 s

1

Arena gruesa

31.50 cm2

3 s 0.1

Arena fina

315.00 cm2

38 s 0.01

Sedimento

3150.00 cm2

33 min

0.001

Bacteria

3.15 m2

55 Horas 0.0001

Partícula coloidal

31.50 m2

230 Días 0.00001

Partícula coloidal

0.283 Ha

6.3 Años 0.000001

Partícula coloidal

2.83 Ha

63 Años

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Tyndall

ASUS

Sticky Note

es a donde van dirigidas la coagulacion.

82

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) * Área de partículas del tamaño indicado, producida a partir de una partícula de 100 mm de

diámetro y gravedad específica de 2.65. ** Cálculos basados en esferas con gravedad específica de 2.65 que sedimentan 30 cm. Propiedades electrocinéticas. Son muy importantes para comprender la estabilidad de las dispersiones coloidales. Al pasar una corriente directa a través de una solución coloidal las partículas son arrastradas a los electrodos positivos o a los negativos: este fenómeno, descubierto por Reuss en 1807, es conocido con el nombre de electroforesis. Su importancia se debe a que nos indica que las partículas coloidales tienen carga eléctrica y que se mueven de acuerdo al signo que tengan hacia el electrodo de signo opuesto. Casi todos los coloides tienen carga negativa y se trasladan hacia el electrodo positivo.

Teoría de la doble capa eléctrica

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

http://www.youtube.com/watch?v=eauONOJ3F00

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/05/Diagram_of_zeta_potential_and_slipping_planeV2.svg

ASUS

Sticky Note

generar unas cargas electricas en donde van las particulas colidales. los colides tiene carga eletrica y por tanto pueden ser afectados por campos eletricos. a bajos ph una carga positiva superficial prevalece. a altos ph prevalece la negativa y a ph intermedios podria haber unvalor ( siempre se debe controlar el ph del agua) (neutralizacion)

83

Fig. 28. Diagrama de potencial zeta Estructura de la doble capa eléctrica Diagram of zeta potential an slipping plane V2.svg.(2012) Recuperada de:

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Diagram_of_zeta_potential_and_slipping_planeV2.svg

Se la denomina doble capa puesto que puede considerarse formada por dos regiones con propiedades claramente diferenciadas: una primera región más próxima a la superficie, formada por iones firmemente ligados a esta y la relativamente de poco espesor, denominada capa rígida (Stern, 1924), y una segunda capa más extendida, en donde el efecto térmico permite un más acusado movimiento iónico, denominada capa difusa y que realmente constituye una atmósfera iónica.

Potencial z

Existe en la atmósfera iónica una superficie, denominada plano de deslizamiento, que es el de la distribución iónica se rompe en caso de que la partícula se ponga en movimiento. El potencial eléctrico en este plano puede determinarse experimentalmente, ya que representa la energía mínima por unidad de carga que es necesario aplicar para separar la partícula de su atmósfera iónica. Este proceso de ruptura, que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial apropiada, se produce a lo largo de la superficie de separación de las capas rígidas y difusas, y se le denomina potencial Zeta o potencial electrocinético.

5.3 TEORÍA DE LA COAGULACIÓN.

La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de aluminio y hierro. Este proceso es resultado de dos fenómenos:

El primero, esencialmente químico, consiste en las reacciones del coagulante con el agua

y la formación de especies hidrolizadas con carga positiva. Este proceso depende de la

concentración del coagulante y el pH final de la mezcla.

El segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de especies hidrolizadas

para que hagan contacto con las impurezas del agua.

Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100 segundos, de acuerdo con las demás características del agua: pH, temperatura, cantidad de partículas, etcétera. Se lleva a cabo en una unidad de tratamiento denominada mezcla rápida. De allí en adelante, se necesitará una agitación relativamente lenta, la cual se realiza dentro del floculador. En esta unidad las partículas chocarán entre sí, se aglomerarán y formarán otras mayores denominadas flóculos; estas pueden ser removidas con mayor eficiencia por los procesos de sedimentación, flotación o filtración rápida. La remoción de las partículas coloidales está relacionada estrictamente con una adecuada coagulación, pues de ella depende la eficiencia de las siguientes etapas: floculación, sedimentación y filtración. La coagulación está fundamentalmente en función de las características del agua y de las

partículas presentes, las mismas que definen el valor de los parámetros conocidos como pH,

alcalinidad, color verdadero, turbiedad, temperatura, movilidad electroforética, fuerza iónica, sólidos

totales disueltos, tamaño y distribución de tamaños de las partículas en estado coloidal y en

suspensión, etcétera.

ASUS

Sticky Note

utilidades remocions de la turbieda organica e inorganica remocion de color del agua.

84

Los términos floculación y coagulación frecuentemente son usados como sinónimos, ambos significando un proceso integral de aglomeración de partículas. Entre diversas definiciones se tienen las siguientes interpretaciones:

Coagulación: Proceso a través del cual los coagulantes son adicionados al agua

reduciendo las fuerzas que tienden a mantener separadas las partículas en suspensión. La

coagulación comienza en el mismo instante en que se agregan los coagulantes al agua

dura solamente fracciones de segundo. Básicamente consiste en una serie de reacciones

físicas y químicas, entre los coagulantes, la superficie de las partículas, la alcalinidad del

agua y el agua misma.

Floculación: Aglomeración de partículas por efecto del transporte del fluido formando

partículas de mayor tamaño que son sedimentadas por efecto de la gravedad.

Se llama coagulación-floculación al proceso por el cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas con pesos específicos superior al del agua llamadas floc: Dicho proceso se usa para:

- Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no puede sedimentar rápidamente.

- Remoción de color verdadero y aparente.

- Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles a ser separados por

coagulación.

- Destrucción de algas y plancton en general.

- Eliminación de sustancias productoras de sabor y olor en algunos casos y de precipitados

químicos suspendidos o compuestos orgánicos en otros.

5.3.1 FASES DE LA COAGULACIÓN.

Desde un punto de vista esquemático, se puede considerar que la coagulación se desarrolla en cinco fases consecutivas o simultáneas que explican reacciones físicas y químicas, de la siguiente forma:

Primera fase. Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas existentes

en la suspensión; Segunda fase. Precipitación y formación de compuestos químicos que se polimerizan; Tercera fase. Adsorción de las cadenas poliméricas en la superficie de los coloides; Cuarta fase. Adsorción mutua entre coloides; y Quinta fase Acción de barrido.

La Fig. 29 presenta en forma esquemática las cinco fases descritas. El modelo es bastante simple, por lo tanto se aclara que las fases pueden coexistir y en ocasiones invertirse (re estabilización); las fases uno y tres pueden ser simultáneas cuando se agregan polielectrolitos al agua, esto es coagulantes que están previamente polimerizados, en cuyo caso la desestabilización es debida a la adsorción de las cadenas agregadas con el polietectrolito; cuando se usan coagulantes metálicos la desestabilización y la polimerización pueden ocurrir como fenómenos separados, no necesariamente consecutivos. Todas las reacciones dependen de la alcalinidad, el pH y la temperatura del agua.

85

PH

PH

PH PH

Particula Negativa

Primera Fase Segunda Fase

Polimero añadido o

formado por el coagulante

PH: Productos de hidrólisis

positivamente cargados

PH

PH

PH PH

PH

PH

PH PH

PH

PH

PH PH

Tercera Fase

Se

dim

en

tació

n

Se

dim

en

tació

n

Cu

art

a F

ase

Qu

inta

Fa

se

COAGULANTE

Fig. 29. Modelo esquemático del proceso de coagulación


5.3.2 DIAGRAMAS DE COAGULACIÓN - TURBIEDAD

Para poder conocer qué tipo de coagulación se produce, suelen utilizarse los diagramas de coagulación. Amirtharajah los describe de la siguiente manera “Los diagramas de coagulación son herramientas útiles para predecir las condiciones químicas que gobiernan el proceso: Dichos diagramas se usan para determinar la dosis de coagulante en función de los pH y se desarrollan a partir de los diagramas de estabilidad termodinámica para la fase sólida de hidróxido de aluminio” , (A. Amirtharajah, 1991).

86

La Fig. 30, muestra la interacción entre coloides, el hidróxido de aluminio y el potencial Z resultante debido a esta interacción par distintas dosis de sulfato de aluminio a distintos pH. La forma de estas zonas varía de acuerdo con la calidad de agua. Se puede ver que con dosis superiores a 15 mg/l de sulfato de aluminio y pH comprendidos entre 5.5 y 9.0 se consigue coagulación de Barrido con un óptimo entre 6.7 y 8.3 para dosis entre 30 y 60 mg/l. La coagulación por adsorción-neutralización, en cambio se logra con pH entre 5.0 y 7.0 y dosis de coagulantes entre 15 y 3.0 mg/l. A pH menores de 5.0 puede llegarse también a producir adsorción-neutralización con dosis mayores hasta de 60 mg/l . En la parte superior del diagrama se ha incluido la curva de potencial Z que muestra como a pH menor de 4.8 el potencial de las partículas se hace negativo. Por encima, tal valor se torna positivo y vuelve a pasar por Z=0 a pH= 6.8 para regresar a ser negativo de allí para adelante. Por tanto existen dos regiones óptimas en que se puede hacer la coagulación cerca del punto isoeléctrico a pH =4.8 y a pH=6.8. Entre estas dos regiones los coloides se re estabilizan debido al exceso de cargas positivas adsorbidas. Cabe aclarar que cada agua exhibe sus propias características y que por tanto el diagrama de la Fig. 30. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio debe tomarse como una guía general que de hecho puede variar según el tipo de coloides presentes y las condiciones de la fase líquida. La distinción entre uno y otro tipo de coagulación es significativa cuando como veremos más adelante, se quiere realizar filtración directa (esto es filtración sin floculación ni sedimentación previas) en la que es indispensable utilizar en todo momento coagulación por adsorción-neutralización, evitado la coagulación por barrido, la cual tiende a producir muchos sólidos. También es de importancia en la mezcla rápida en donde la velocidad del proceso depende del tipo de coagulación.

87

Fig. 30. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio Fuente: (A. Amirtharajah, 1991)

5.3.3 COAGULANTES

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

Los principales coagulantes utilizados son las sales de aluminio o de hierro (Fe+ 3

). También se pueden emplear polímeros inorgánicos como los de hierro (III) y aluminio como coagulantes, por ejemplo el policloruro de aluminio se recomienda para el tratamiento de aguas blandas y turbias. De las sales, se pensó inicialmente que formaban un hidróxido insoluble y con ello un ácido que reducía el pH de la solución; luego se admitió que cuando se añaden al agua, intervienen casi

http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/PolimerosCeluloAlmid.htm

ASUS

Call Out

coagulacion por barrido

ASUS

Call Out

coagulacion oprtima

ASUS

Call Out

adsorcion.

ASUS

Call Out

potencial zero

88

instantáneamente en una serie de reacciones de tipo hidróxido multivalentes. En estas sustancias se insertan dos o más iones de aluminio o hierro en un proceso de polimerización.

La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en laboratorio, mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta, entre otros factores:

La naturaleza y calidad del agua bruta.

La variación de la calidad del agua bruta (diarias o estacionales, influencia de la temperatura, etc.).

Criterios de calidad y destino del agua tratada.

Tratamiento previsto después de la coagulación.

Grado de pureza del reactivo.

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

pH.

Sales disueltas (composición química del agua).

Naturaleza de la turbiedad.

Tipo de coagulante.

Temperatura.

5.3.3.1 Coagulantes metálicos

Pueden ser de tres tipos: sales de aluminio, sales de hierro y compuestos varios, como el carbonato de magnesio. Los coagulantes con sales de aluminio son el sulfato de aluminio, sulfato de aluminio amoniacal y aluminato de sodio. Los coagulantes con sales de hierro son el cloruro férrico, el sulfato férrico y el sulfato ferroso. Para la dosificación en la coagulación por adsorción-neutralización debe tenerse en cuenta la relación estequiométrica entre la dosis del coagulante y la concentración de los coloides, ya que una sobredosis conduce a una reestabilización de las partículas. Para aguas con bajo nivel de alcalinidad, se recomienda aumentar el pH añadiendo hidróxido de calcio (Ca(OH)2). La Tabla 28, presenta las características de los coagulantes más empleados.

Tabla 28. Coagulantes más empleados

Reactivo Fórmula Presentación Uso Dosis usual Ejemplo

Sulfato de aluminio (SO4)3Al2 Sólida o líquida Coagulante 10-150 (1) Muy frecuente

Sulfato de aluminio + cal

(SO4)3Al2 + Ca(OH)2 Líquida Ablandamiento

33% de (1) + (cal) Frecuente

Sulfato de aluminio + sosa caustica

(SO4)3Al2 + NaOH Sólida o líquida Ablandamiento

36% de (1) + (sosa) Frecuente

Sulfato de aluminio + carboruto sódico

(SO4)3Al2 + CO3Na2 Sólida Ablandamiento

50-100% de (1) + (carbonato)

Poco frecuente

Aluminio sódico AlO2Na Sólida o líquida Coagulante 5-050 Poco frecuente

89

Polímeros de aluminio Varias Líquida Coagulante

Poco frecuente

Cloruro de aluminio Cl3Al Líquida Coagulante Muy raras veces

Cloruro férrico Cl3Fe Sólida o líquida Coagulante 5- 150 (4) Frecuente

Fuente: (Canepa de Vargas, 2004)

Hidrólisis de las sales de aluminio Cuando una sal de aluminio se agrega al agua, se desencadena una serie de reacciones con la alcalinidad, el agua y los iones presentes en ella, de acuerdo con procesos de hidrólisis y polimerización. Las sales de aluminio más conocidas son el sulfato de aluminio, el sulfato de aluminio amoniacal y el aluminato de sodio, pero por su bajo costo y manejo relativamente simple, es el sulfato de aluminio, conocido como alumbre, el que con mayor frecuencia se utiliza en las plantas de tratamiento de agua potable, por lo que nos limitaremos a su estudio. El sulfato de aluminio Al2(SO4)318H2O, es un polvo color marfil, ordinariamente hidratado. Cuando está en solución, se encuentra hidrolizado, esto es, asociado con el agua, tomando la forma [Al(H2O)6]

+ + +, actuando como un ácido por ser donador de protones. El aluminio hidratado

tiene la propiedad de reaccionar primero con la alcalinidad del agua, causando un consumo de la misma y un descenso en el pH, y cuando toda la alcalinidad se consume, el ion hidratado de aluminio reacciona con el agua, que es una base débil. La alcalinidad viene a actuar como una solución amortiguadora que evita el brusco descenso del pH. Hidrólisis de las sales de hierro. La hidrólisis del hierro es similar a la del aluminio, por lo tanto las sales de hierro experimentan una serie de reacciones hidrolíticas y polimerización, en las que se forman complejos polinucleares e hidróxi-férricos, que son rápidamente absorbidos por los coloides. Las sales de hierro tienen una ventaja sobre las sales de aluminio en algunos casos, porque forman un floc más pesado y de mayor velocidad de sedimentación y porque pueden trabajar con un rango de pH mucho más amplio. Por tanto, se usa cuando el sulfato de aluminio no produce una coagulación adecuada o cuando los sedimentadores están demasiado recargados y resulta económico aumentar el peso del floc para incrementar la eficiencia de ellos. Las sales de hierro más conocidas son: el cloruro férrico, el sulfato férrico y el sulfato ferroso.

5.3.3.2 Coagulantes y floculantes poliméricos ( polielectrolitos )

El tipo de polímeros que se forme depende de la naturaleza de los grupos funcionales que lo integran. Todos los monómeros capaces de formar polímeros deben tener por lo menos dos núcleos activos para que la macromolécula formada pueda conservar su configuración inicial. Cuando las cadenas poliméricas tienen múltiples grupos funcionales activos de denominan polielectrolitos. De investigación realizada sobre este tipo de substancias, se desprenden las siguientes conclusiones prácticas, entre otras:

90

- Los poli electrolitos usados en unión de coagulantes metálicos comunes, producen un f loc

que sedimenta rápidamente.

- Con ciertas aguas, la dosificación de polielectrolitos en pequeñas cantidades reduce el

gasto de coagulante.

- Las algas son rápidamente coaguladas con polielectrolitos catiónicos.

- Todos los polielectrolitos no son igualmente efectivos con todas las aguas.

- Dosis excesivas de polielectrolitos producen dispersión en lugar de ayudar a la

coagulación.

- Deben los polielectrolitos añadirse en forma de solución diluida para asegurar una

completa mezcla.

Clasificación de los poli electrolitos Los poli electrolitos de importancia en el tratamiento de agua pueden clasificarse así, Tabla 29:

Tabla 29. Clasificación de los poli electrolitos

Según su origen Según su carga

Polímeros naturales Iónicos Catiónicos

Polímeros sintéticos No iónicos Aniónicos

Fuente: Elaboración propia Polímeros naturales Los polímeros naturales se han utilizado por muchos siglos en los países en desarrollo para clarificar el agua. Códices descritos en sánscrito procedentes de la India, refieren que las semillas del árbol de nirmali (Stychnos potatorum), se utilizaron para clarificar aguas fluviales turbias. En Perú, el agua se ha clarificado tradicionalmente con la savia mucilaginosa de “pencas” obtenidas de ciertas especies de cactáceas. Este tipo de coagulantes poseen elevadas cantidades de proteínas, carbohidratos y polisacáridos (almidón, glucósidos), con propiedades electrocinéticas. Muchos de estos componentes tienen propiedades coagulantes o floculantes y son usados por los nativos en forma empírica para clarificar el agua. Los que han dado mejor rendimiento y vale la pena considerarlos para su uso en plantas de tratamiento son: los compuestos algínicos, los derivados de la tuna o nopal y los almidones. Estudios realizados por el National Environment Engineering Research Insitute (NEERI) de la India, ha realizado varios estudios acerca de varias especies vegetales para determinar su eficacia como coadyuvante coagulante, las especies que demostraron mejor rendimiento son:

- Arbol de nirmali; Strychnos potatorum

- Arbol de tamarindo: Tarmerindus indica

- Lentejas; lens esculenta.

- Moringa oleífera

Los almidones presentan una amplia gama de posibilidades. Su problema consiste en producir a partir de ellos compuestos solubles en agua. Algunas marcas comerciales de polielectrolitos son simples derivados del almidones. Los estudios demuestran que este tipo de coagulantes son eficaces en niveles de alta turbiedad, en los cuales es posible obtener ahorros de 40 al 50% en el consumo del sulfato de aluminio, y su baja toxicidad pues en muchos casos son empleados como alimentos o aditivos alimenticios. Sin

91

embargo hay que tener cuidado en su predisposición a incrementar el crecimiento de bacterias en agua tratada. Polímeros sintéticos Son compuestos orgánicos producidos por medio de la transformación química de derivados del carbón y del petróleo. Incluye la mayoría de los polímeros manufacturados por la industria y de mayor venta comercialmente. Muchos, aunque no todos, se encuentran en forma de polvo seco. Otros son líquidos con concentraciones del 10% al 60% de polímeros activos. En la actualidad existen más de 100 marcas comerciales de polielectrolitos sintéticos aprobados para el uso en agua potable. Pero hay muchos más cuya toxicidad es alta, debido a que se producen con monómeros que pueden causar serios daños a la salud y no deben por eso utilizarse nunca en plantas de tratamiento de agua. Se pueden emplear los polímeros de hierro ( lll) y aluminio como coagulantes. Se recomienda el uso de policloruro de aluminio para el tratamiento de aguas blandas y turbias

5.3.3.3 Productos auxiliares

Debe adicionarse un auxiliar de la coagulación, de la floculación o de la filtración, si en los ensayos de laboratorio se ha determinado que es conveniente. En su selección, debe escogerse aquel que no vaya a tener efectos adversos sobre la calidad del agua tratada. Deben emplearse sustancias auxiliares de la coagulación para lograr el pH óptimo de coagulación. En la selección del coagulante, debe tenerse en cuenta su facilidad de adquisición, almacenamiento, manejo, seguridad y dosificación. No deben usarse aquellos productos fácilmente deteriorables o que requieran condiciones muy específicas para su manejo y conservación. Dentro de la amplia gama de coagulantes, debe escogerse aquel que no vaya a tener efectos nocivos sobre la calidad física, química o biológica del agua tratada y que represente un efecto favorable sobre el tamaño del flóculo y sobre la velocidad de asentamiento. Deben realizarse ensayos de laboratorio para determinar cuál es el coagulante o cuáles son los coagulantes más apropiados para el tratamiento.

5.3.4 TIPO DE DOSIFICACIÓN

De acuerdo con las características de los productos químicos, pueden emplearse dosificadores en seco y en solución. Dosificadores en seco Deben emplearse para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Los dosificadores pueden ser volumétricos o gravimétricos. Volumétricos. En este tipo de dosificadores la dosis requerida debe determinarse midiendo el

volumen de material que libera una superficie que se desplaza a velocidad constante. Los dosificadores más utilizados son la válvula alveolar, el disco giratorio, el cilindro giratorio, el plato oscilante y de tornillo.

92

El disco giratorio se recomienda para dosificar sulfato de aluminio, cal, carbonato de sodio o de calcio. Debe proveerse de agua de buena calidad para la preparación de la solución, lo mismo que una adecuada mezcla.

Gravimétricos La cantidad de producto químico dosificado debe medirse pesando el material, o

con base en una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva. Los dosificadores más empleados son la de correa transportadora y la de pérdida de peso.

Para el empleo de dosificadores en seco deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: - Los productos químicos dosificados en seco deben ser disueltos en agua antes de su aplicación. - Deben preverse tolvas de acumulación con dosificadores cuya capacidad sea de 8 a 12 horas de consumo.

Dosificadores en solución Deben usarse para dosificar por vía húmeda o para dosificar líquidos. Pueden ser de dos tipos: por bombeo y por gravedad. Sistemas por bombeo. Se pueden emplear las bombas de pistón y de diafragma. La bomba

dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse con precaución en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos. La bomba dosificadora de diafragma es accionada hidráulicamente, debe utilizarse para líquidos corrosivos, tóxicos, abrasivos, viscosos; puede estar provista de membrana simple o doble.

Sistemas por gravedad. Pueden emplearse los de carga constante y los de carga regulable. En

los de carga constante debe mantenerse una carga constante de agua sobre un orificio para obtener un caudal de dosificación constante. El caudal debe calibrarse a la salida mediante una válvula.

Este sistema debe contar de un tanque de solución, un tanque dosificador y un dispositivo de medida. Para el nivel bajo de complejidad del sistema, puede emplearse un único tanque para la preparación de la solución y la dosificación. Para la preparación de soluciones o suspensiones en tanques, debe contarse con dos unidades con capacidad para funcionar al menos durante 8 a 12 horas, con la dosis media. Los saturadores de cal pueden emplearse para producir una solución saturada de hidróxido de calcio, Ca(OH)2, este equipo consta de un tanque donde se deposita la cal que debe ser disuelta. El agua debe introducirse en la cal por el fondo del tanque, y la solución saturada debe colectarse en la superficie libre mediante canaletas, o en la proximidad a la superficie.

5.3.4.1 Cálculo de la cantidad de reactivo por dosificar

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

93

reproducir las condiciones en las cuales se produce la floculación en una planta de tratamiento Fig. 31

Fig. 31. Diagrama del equipo de jarras

Fuente: (Suleyman A. Muyibi, 2009)

La medición de turbiedad del agua después de floculada suele considerarse como los parámetros más importante para caracterizar el proceso. La medición de pH antes y después de la floculación tiene una importancia básica, por tanto debe disponerse siempre de un sistema de medida. El reactivo principal es la solución de sulfato de aluminio o cloruro sulfato férrico. Es frecuente que al realizar una prueba de jarras los resultados obtenidos no permitan establecer una dosificación óptima. Esto sucede cuando el agente floculante que se ensaya no es el más adecuado para un determinado tipo de aguas. Las aguas cargadas de limos y arcillan floculan muy bien con sulfato de aluminio o con cloruro férrico, mientras que las aguas que contienen coloides de naturaleza orgánica (aguas residuales de plantas de sacrificio animal, de beneficiaderos de café como por ejemplo) se eliminan mejor utilizando floculadores orgánicos. Cálculo del volumen de reactivo. El volumen de reactivo por dosificar en una planta de tratamiento dependerá de la concentración o pureza del compuesto que se utilice. Cuando se dosifica en seco este valor puede ser hallado así:

P

DQW 6.3

Donde:

94

W = Kg/ hora D = Dosis que se requiere aplicar en g/m

3 = mg/l

P = Pureza del reactivo que se usa en porcentaje Q = Caudal de la planta en m

3/s

Cuando se dosifica en húmedo, el volumen de solución ”q” que se aplique por unidad de tiempo, dependerá también de la concentración C de dicha solución, así:

PC

DQq

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

Concentraciones mayores requieren dilución posterior con más agua antes de su aplicación. Ejemplo:

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

sLLmg

sLLmgq /028.0

/000.200*89.0

)/50(*)/100( Máxima

Volumen del tanque por día: 0.028 L/s* 86.400 s/d = 2419 L/día más 5% por espacio para depósitos: 2419 L/d*1.05 = 2540 L/d = 2.54 m

3.

Si las pruebas de jarras se realizan con el mismo compuesto que se utiliza en la planta, se elimina el problema de la pureza del coagulante pues se puede dosificar igual cantidad al peso en los ensayos que en los mezcladores

5.4 MECANISMOS DE COAGULACIÓN: MEZCLA RÁPIDA

En plantas de tratamiento la mezcla rápida se puede efectuar en dos formas: Con mezcladores flujo de pistón y con retromezcladores En los primeros, la adición del coagulante se hace al pasar la masa de agua por un punto determinado, en el cual se produce una fuerte turbulencia inducida por un aparato hidráulico (orificio, vertedero, constricción, etc.), ver Fig. 32.

95

C

Resalto Hidraulico - Vertedor

C

Resalto Hidraulico - Parshall

En los segundos, el agua es retenida en una cámara especial por un tiempo de detención nominal V/Q de 10 a 120 segundos, en donde se aplican los coagulantes, mientras que el agua se agita con una turbina o paleta rotatoria o cualquier otro sistema para crear turbulencia (Fig. 33). La diferencia entre ambos métodos es amplia. En los retromezcladores, el agua que entra y acaba de ser dosificada con el coagulante, se mezcla con el agua previamente retenida en la cámara y que hace algún tiempo recibió la dosis de coagulante. Esto produce una interacción entre los compuestos químicos iniciales, que se forman en la masa de agua que llega y los previamente formados en la masa del agua retenida en el tanque. Para este proceso se necesita emplear un dispositivo que genere movimiento o agitación mecánica, como bombas y rasquetas que requieren energía. En los reactores de flujo pistón, el flujo a medida que va pasando va recibiendo su inyección de coagulante, y la entremezcla entre las masas de agua es mínima. La turbulencia se realiza hidráulicamente, esto es, utilizando la energía cinética que trae el agua.

Fig. 32. Mezcladores flujo pistón Fuente: Elaboración propia

96

Impulsor

C = coagulante

Dosificación

Pantalla

Impulsor

de paletas

planas

Pantalla

Flujo

Coagulantes

Fig. 33. Retromezcladores Fuente: Elaboración propia

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

97

5.4.1 MEZCLADORES HIDRÁULICOS

Los mezcladores hidráulicos pueden emplearse cuando se dispone de suficiente cabeza o energía en el flujo de entrada. Los parámetros de diseño básicos en ambos casos son: el tiempo de retención y el gradiente de velocidad, que en su forma general se expresan mediante las s iguientes ecuaciones Tiempo de retención:

Q

Vt

Donde V = Volumen del tanque, m

3

Q = Caudal tratado, m3/s

El gradiente de velocidad se expresa mediante la siguiente ecuación:

)(V

PG

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

= Viscosidad absoluta del agua, N*s/m2

V = Volumen del tanque, m3

Para determinar la potencia aplicada al agua, aplicamos la siguiente ecuación, según Rushton:

H*Q*γP

Dónde:

= peso específico del agua, N/m3 Q = Caudal de diseño

H = pérdida de energía en el resalto, m. Por lo tanto definimos la Potencia (P) disipada en cualquier dispositivo de mezcla hidráulica como

el producto de la perdida de carga ( H ) por el caudal (Q) convertida en el peso de líquido por unidad de tiempo. Así la potencia disipada por unidad de volumen es:

98

VHQVP /)**(/

Siendo TV

Q 1

Dónde: T es el tiempo de mezcla.

Resulta: T

H

V

P

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

)()(T

HG

Dónde:

: es el peso específico del agua en Kg/m3

: es el coeficiente de viscosidad en Kg*s/m2

H: es la pérdida de carga en metros T: es el tiempo de mezcla en segundos

El factor

depende de la temperatura del agua, conforme se observa en la Tabla 30.

Tabla 30 Valores de peso específico y viscosidad dinámica

Temperatura (ºC)

Peso específico (kN/m

3)

Viscosidad dinámica (N·s/m

2)

0 9,805 1,781 · 10-3

5 9,807 1,518 · 10-3

10 9,804 1,307 · 10-3

15 9,798 1,139 · 10-3

20 9,789 1,102 · 10-3

25 9,777 0,890 · 10-3

30 9,764 0,708 · 10-3

40 9,730 0,653 · 10-3

50 9,689 0,547 · 10-3

60 9,642 0,466 · 10-3

http://books.google.com.co/books?id=LbMTKJ4eK4QC&pg=PA27&lpg=PA27&dq=gradiente+de+velocidad&source=bl&ots=pOIIYLSEBq&sig=Es9GlSStKlwTKN_xtUoC01svvHE&hl=es&sa=X&ei=nf5qUO6SNIuw8ASQqoHIDg&redir_esc=y#v=onepage&q=gradiente%20de%20velocidad&f=false

99

70 9,589 0,404 · 10-3

80 9,530 0,354 · 10-3

90 9,466 0,315 · 10-3

100 9,399 0,282 · 10-3

Fuente: (METCALF&EDDY, 1995) A una temperatura alrededor de 15ºC el valor comúnmente tomado en proyectos, de gradiente de velocidad puede ser calculado por la fórmula:

T

HG

2920

Parámetros operacionales y dimensionamiento Las unidades de mezcla rápida deben ser dimensionadas en función del tiempo de mezcla y del gradiente de velocidad. Fijado el tiempo de mezcla, y conocido el caudal, el gradiente de velocidad es determinado indirectamente por la potencia hidráulica o mecánica. Criterios de diseño. La Tabla 31, resume los criterios de diseño en cuanto a tiempo de retención y a gradiente de velocidad de la AWWA y del RAS 2000.

Tabla 31. Criterios de diseño para mezcladores rápidos

Criterio Tiempo de Retención

Gradiente de velocidad (s

-1)

Awwa 20 1000

30 900

40 790

>40 700

RAS 2000 ≤ 60 500 – 2000

Además de estos criterios la RAS 2000, recomienda tener en cuenta los siguientes parámetros de diseño:

- La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s. - La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s. - Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el ancho de la canaleta. - Debe disponerse de un dispositivo aguas abajo con el fin de controlar la posición del

resalto hidráulico. - Punto de aplicación del coagulante.

- La aplicación de la solución de coagulante debe realizarse en el punto de mayor turbulencia.

100

5.4.1.1 Canaleta Parshall

La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma, servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 34, se muestra esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente. El aforo se hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leída por medio de piezómetros laterales[5]. La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce flujo supercrítico a través de la garganta. La canaleta debe construirse de acuerdo con las dimensiones de la Tabla 34[6], para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo. La canaleta Parshall es auto limpiante, tiene una pérdida de energía baja y opera con mucha exactitud en caudales bastante variables, requiriendo sólo una lectura de lámina de agua (Ha), en flujo libre. . A fin de que pueda utilizarse la canaleta con el propósito de mezclador rápido, debe cumplir los siguientes requisitos: - Que no trabaje ahogada, o sea que la relación Hb/Ha no exceda los siguientes valores:

Tabla 32. Requerimientos de sumergencia

Ancho de garganta Máxima sumergencia (Hb/Ha)

7.5 (3”) a 22.9 (9”) 0.6

30.5 (1’) a 244 (8’) 0.7

305 (10’) a 1525 (50’) 0.8

Fuente: (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000) - Que la relación Ha/W este entre 0,4 y 0,8. La razón para esta condición es la de que la turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa, bajo el resalto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación, como se ha podido constatar en experimentos de laboratorio. Al bajar Ha el espesor de esta capa se minimiza. El concepto de gradiente de velocidad de Camp no tiene aplicación en este caso. - Que él número de Froude esté comprendido entre estos dos rangos 1.7 a 2.5 o 4.5 a 9.0. Debe evitarse números entre 2.5 y 4.5 que producen un resalto inestable el cual no permanece en su posición, sino que siempre está cambiando de sitio, lo que dificulta la aplicación de coagulantes.

101

Fig. 34. Dimensiones de la canaleta Parshall

El análisis hidráulico teórico de la canaleta Parshall para saber si cumple con estas condiciones, esta solo parcialmente resuelto. Las ecuaciones que definen el resalto hidráulico en canales rectangulares, no se puede aplicar a este caso sin un cierto margen de error debido a que el efecto de la constricción de la garganta se suma al de los cambios de pendiente. Diseño canaleta Parshall Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente procedimiento. (Azevedo & Alvarez, 1976), partir de estudios empíricos determinaron diferentes límites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta, La Tabla 33, nos permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y mínimos, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W

Tabla 33. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal

Ancho W Límites de caudal (l/s)

Q Mínimo Q Máximo

1’’ 0.28 5.67

2’’ 0.57 14.15

3’’ 0.85 28.31

6’’ 1.42 110.44

9’’ 2.58 252.00

12’’ 3.11 455.90

102

18’’ 4.24 696.50

24’’ 11.90 937.30

36’’ 17.27 1427.20

48’’ 36.81 1922.70

60’’ 45.31 2424.00

72’’ 73.62 2931.00

La Tabla 34, nos presenta las dimensiones típicas de medidores Parshall, a partir del ancho de garganta (W), calculado en la Tabla 33.

Tabla 34. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm)

W (Cm) A B C D E F G K N

1” 2.5 36.6 35.6 9.3 16.8 22.9 7.6 20.3 1.9 2.9

3” 7.6 46.6 45.7 17.8 25.9 38.1 15.2 30.5 2.5 5.7

6” 15.2 62.1 61.0 39.4 40.3 45.7 30.5 61.0 7.6 11.4

9” 22.9 88.0 86.4 38.0 57.5 61.0 61.0 45.7 7.6 22.9

1’ 30.5 137.2 134.4 61.0 84.5 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

11/2’ 45.7 144.9 142.0 76.2 102.6 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

2’ 61.0 152.5 149.6 91.5 120.7 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

3’ 91.5 167.7 164.5 122.0 157.2 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

4’ 122.0 183.0 179.5 152.2 193.8 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

5’ 152.5 198.3 194.1 183.0 230.3 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

6’ 183.0 213.5 209.0 213.5 266.7 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

7’ 213.5 228.8 224.0 244.0 303.0 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

8’ 244.0 244.0 239.2 274.5 340.0 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

10’ 305.0 274.5 427.0 366.0 475.9 122.0 91.5 183.0 15.3 34.3

Fuente: (Azevedo & Alvarez, 1976) Condiciones Hidráulicas de entrada

EL flujo Q se calcula con la fórmula:

nhaKQ

en donde K y n se determinan con la Tabla 35.

Tabla 35. Valores de K y n

Unidades Métricas

W K n

3” 0.176 1.547

6” 0.381 1.580

9” 0.535 1.530

1’ 0.690 1.522

1 ½’ 1.054 1.538

2’ 1.426 1.550

3’ 2.182 1.566

4’ 2.935 1.578

5’ 3.728 1.587

6’ 4.515 1.595

103

7’ 5.306 1.601

8 6.101 1.606

Para recordar: 1 pulgada (1”) = 2.54 cm 1 pie (1´) = 30.5 cm Ejemplo de diseño: canaleta parshall.

Diseñar una canaleta Parshall que sirva como aforador y para realizar la mezcla rápida, para el municipio de San Pedro, el caudal previamente calculado es de 0.15m

3/s, la temperatura mínima

de 16 °C.

Criterios de diseño

Como aforador debe trabajar con descarga libre, es decir, que cumpla los requerimientos de la Tabla 32.

Como mezclador rápido debe cumplir con la anterior condición y adicionalmente el gradiente de velocidad debe estar comprendido entre 1000 y 2000 s

-1.

La Fig. 35, presenta un esquema de dicha estructura.

Fig. 35. Esquema de la Canaleta Parshall

La metodología seguida se basa en el cálculo de la energía en las secciones mostradas en la Fig. 35 y en la suposición de que las pérdidas por fricción dentro de la canaleta son despreciables.

Wa

104

PASO 1: Determinación del ancho de garganta

Para un Q = 0.13m3/s (130.31 L/s) se tiene un ancho de garganta W = 9’’ = 0.229 m < 0.3 m,

OK CUMPLE. (Ver Tabla 33).

Paso 2. Dimensiones

De acuerdo a la Tabla 34 y Tabla 35, tenemos los siguientes valores:

Exponente: n 1.53 -

Coeficiente: k 0.54 -

Long. paredes sección convergente A 0.880 m

Longitud sección convergente B 0.864 m

Ancho de la salida C 0.380 m

Ancho entrada sección convergente D 0.575 m

Profundidad total E 0.610 m

Longitud de la garganta F 0.610 m

Longitud de la sección divergente G' 0.457 m

Long. Paredes sección divergente K' 0.076 m

Dif. de elevac entre salida y cresta N 0.229 m

Paso 3. Determinación de la lámina de agua

n

aK

Qh

1

mha 39.054.0

13.0 53.1

1

Paso 4. Cálculo de la canaleta en la sección de medida

WWDWa 3

2

D = 0.575 m para W = 9’’ (Tabla 6.3)

mmmWa 229.0229.0575.03

2

Wa = 0.46 m

105

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

Cálculo de va:

aa

ahW

Qv

.

mm

smva

39.0*46.0

/13.0 3

va = 0.72 m/s

Paso 6. Cálculo de la energía total disponible

Calculo de la energía en la sección 1 - 1

Aplicando Bernoulli:

Nhg

vE a

a 2

2

1

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

mmsm

smE 229.039.0

/81.9*2

/)72.0(2

222

1

E1 = 0.645 m

Paso 7. Cálculo de la velocidad antes del resalto

Sección 2-2. (Inmediatamente antes del resalto).

Aplicando Bernoulli:

2

2

22

2h

g

vE

2

2.hW

Qv

106

2

3

2*23.0

/13.0

hm

smv

Igualamos, E2 = E1 (Despreciando pérdidas por fricción entre 1 y 2)

Remplazando:

22

2

2

3

/81.9*2

1*

*23.0

/13.0645.0 h

smhm

smm

0.645 = 0.0169

0.0529 ℎ22 ∗

1

2 ∗ 9.81+ ℎ2

0.645 = 0.0169

1.0379 ℎ22 + ℎ2

0.645 = 0.0169 + 1.0379ℎ2

3

1.0379 ℎ22

0.66944 ℎ22 = 0.0169 + 1.0379 ℎ2

3

1.0379 ∗ ℎ23 − 0.66944 ∗ ℎ2

2 + 0.0169 = 0

ℎ23 − 0.64499 ∗ ℎ2

2 + 0.01628 = 0

Considere que el valor de h2 se obtiene de resolver una ecuación cúbica que deriva en 3 raíces; la raíz que se debe tomar como valor de h2 es la raíz media.

Resolviendo para h2:

h2 = 0.19 m

2

2.hW

Qv

mm

smv

19.0*23.0

/13.0 3

2

v2 = 3.02 m/s

Paso 8. Determinación de la lámina de agua en el resalto

107

Cálculo de hb.

hb = h2 – N

hb = 0.19m – 0.229m

hb = -0.039m

Paso 9. Cálculo número de Froude.

Sección 3-3

Aplicando la ecuación del resalto hidráulico:

)181(2

1 2

2

2

3 Fh

h

gh

vF

.2

2

22

2

gh

vF

.2

2

22

2.2/81.9*19.0

/0.32

222

2 smm

smF

F2 = 2.2 (Resalto estable) OK CUMPLE

El resalto es estable ya que el Froude oscila entre 1,7 – 2.5 o 4.5 – 9.0. En caso de que no se encuentre en este intervalo, se recomienda se puede colocar abajo una persiana que manualmente se pueda graduar por un operario, hasta lograr la estabilidad requerida, aunque esta práctica no se recomienda porque se puede presentar rompimiento del microflóculo formado previamente en el resalto de la canaleta.

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

)181(2

2

22

3 Fh

h

108

)1)2.2(*81(2

19.0 2

3 h

h3 = 0.49 m

Paso 12. Cálculo de la lámina de agua al final de la canaleta

Sección 4-4

h4 = h3 – (N-K)

Por formarse el resalto muy cerca de la salida de la garganta, se puede considerar que en la sección 3 la cabeza de posición es cero.

h4 = 0.49m – (0.229m – 0.076m)

h4 = 0.34m

Paso 13. Cálculo del tiempo medio de mezcla

El tiempo medio de mezcla se obtiene con la siguiente ecuación:

m

dv

Gt

'

El valor de G” corresponde al valor de la

Cálculo de la velocidad media

mm

sm

hW

Qv

49.0*23.0

/13.0

.

3

3

3

v3 = 1.15 m/s

mm

sm

hC

Qv

34.0*38.0

/13.0

.

3

4

4

v4 = 1.01 m/s

2

43 vvvm

109

2

/01.1/22.1 smsmvm

vm = 1.08 m/s

m

dv

Gt

'

Según la Tabla 34, G = 45.7 cm

ssm

mtd 43.0

/08.1

46.0

Paso 14. Cálculo del gradiente de velocidad, G.

El gradiente se calcula mediante la fórmula

dt

hG

.

.

Cálculo de la pérdida de carga h

Aplicando el principio de energía de Bernoulli

E1 = E4 + h

Remplazando

hKNhg

vNh

g

va

a )(22

4

2

4

2

)(22

4

2

4

2

KNhg

vNh

g

vh a

a

mmsm

mh )076.0229.0(34.081.9*2

/01.123.039.0

81.9*2

72.0 222

h = 0.101 m

dt

hG

.

.

110

1

2

3

143343.0*/00112.0

101.0*/9797 ssmN

mmNG

Según la recomendación del rango de gradientes de la RAS Tabla 31, debe estar en el intervalo: 500 ≤ G ≤ 2000 s

-1, por lo tanto G = 1433 s

-1 cumple OK.

Paso 15. Cálculo de la distancia de la elevación de la cresta por encima del fondo del canal X

X = h5 - h4

h5 = 0.50 m (se fija con la estructura aguas abajo)

X = 0.50m – 0.34 m

X = 0.16 m

Se recomienda para X un factor de seguridad del 10%; por lo tanto:

X = 0.16 m * 1.10

X = 0.176 m

Paso 13. Longitud de desarrollo del resalto, L.

L = 6 (h3 – h2) [6.22]

L = 6 (0.49 m – 0.19 m)

L = 1.8 m

Paso 16. Esquema de dimensionamiento

La

Fig. 36, muestra el esquema con el dimensionamiento definitivo de la canaleta Parshall, incluyendo el perfil hidráulico.

111

Fig. 36. Dimensiones de la Canaleta Parshall. Todas las unidades en metros.

D = 57.5 W = 22.9 cm

A = 88 cm 6

1

C = 38 cm

1

5

45º

112

6 FLOCULACIÓN

La floculación se define como una lenta agitación en el agua para permitir el crecimiento de floc.

Este crecimiento es inducido por el contacto de partículas de diámetro mayor de una micra ( 1 ), el contacto de partículas se crea por el gradiente de velocidad de la masa liquida (Arboleda Valencia, 2000). Los dos objetivos básicos que se persiguen con la floculación son:

a) Reunir los microflóculos para formar partículas mayores con peso específico superior al agua.

b) Compactar el floc (disminuyendo su grado de hidratación) para producir una baja

concentración volumétrica, que permita una alta eficiencia en la fase de separación (sedimentación – filtración).

Tanto el gradiente de velocidad como el tiempo de detención óptimo varían según el tipo de agua y deben hallarse por experimentación, mediante el análisis de jarras. Existen dos tipos de floculación: La llamada floculación pericinética, debida al desplazamiento continuo de las moléculas de agua producido por el movimiento Browniano y por la gravedad o peso de las partículas que al caer tienden a aglomerarse. El otro tipo es la floculación ortocinética que es debida al gradiente de velocidad inducidos en el liquido por energía mecánica o hidráulica, causando el movimiento de las partículas a diferentes velocidades y direcciones lo cual aumenta considerablemente la posibilidad de colisión. El proceso de floculación pericinética es extremadamente lento, por esto no es de interés práctico en el tratamiento de agua, a continuación se presentarán las consideraciones teóricas y factores que influyen en la floculación ortocinética. En el proceso de floculación existen tres características esenciales que se deben estudiar, estas son:

a) La forma de producir la agitación b) El gradiente de velocidad c) El tiempo de retención

6.1 CLASIFICACIÓN DE LOS FLOCULADORES.

Según el tipo de energía usada para producir la agitación, los floculadores pueden clasificarse en hidráulicos, mecánicos e hidromecánicos. Los hidráulicos según el sentido del flujo, se clasifican en: de flujo horizontal, de flujo vertical y de flujo helicoidal. Los mecánicos, se clasifican según el sentido del movimiento, en reciprocantes y rotatorios. Y los hidromecánicos, son de flujo horizontal. Cabe destacar también dos tipos de floculadores que tienen carácter experimental; los de piedras y los de mallas, ver Tabla 36.

Tabla 36. Clasificación de los floculadores

http://es.scribd.com/doc/77974688/16/Gradiente-de-velocidad

http://www.youtube.com/watch?v=XY8kB31kZHY

113

Planta

a. Flujo Horizontal (Planta) b. Flujo Vertical (elevacion)

Según la energía de agitación

Según el Sentido de Flujo Descripción Nombre

Hidráulicos

Flujo Horizontal Con tabiques de ida y regreso

De Tabiques

Flujo Vertical

Con tabiques arriba y abajo del tanque

Con codos en el fondo que proyectan el agua arriba y abajo

Alabama

Con entrada lateral al tanque

Cox

Mecánicos Rotatorios

De paletas de eje horizontal o vertical

De Paletas

De turbinas Horizontales o verticales

De turbinas

Reciprocantes Rejas o cintas oscilantes Reciprocantes

Hidromecánicos Flujo horizontal De turbina Pelton y paletas Horizontales

Hidromecánicos


6.1.1 FLOCULADORES HIDRÁULICOS

Los floculadores hidráulicos derivan su energía para la agitación de la masa liquida, de la carga de velocidad que el flujo adquiere al escurrir por un conducto. Consisten en tanques provistos de pantallas entre los cuales el agua circula con una velocidad fija, produciendo cierta turbulencia en cada cambio de dirección del flujo, ver Fig. 37.

a. Flujo horizontal b. Flujo Vertical

Fig. 37. Floculadores hidráulicos de tabiques Los más comunes son los de flujo horizontal y los de flujo vertical. En los primeros, el flujo va y viene alrededor de los tabiques haciendo un giro de 180° al final de cada uno. En los segundos, el flujo sube y baja en condiciones similares. Pérdidas de carga

114

I 2I 1

I 1

Sa

Sección PLANTA

h

I 2I 1 I 1

h

h 2

h 1

Sa = h 2

I 2Si =

h 1

I 1

En los dos tipos de floculadores se produce una pérdida de carga h t, generada por, Fig. 38: a. Por el cambio de dirección y turbulencia h' b. Por ensanchamiento y contracción de la sección h'' c. Por fricción en los tramos rectos h2 La suma de estas pérdidas de carga constituye la perdida de carga total ht,.

Fig. 38. Gradientes de energía, y pérdidas en floculadores de flujo horizontal. Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) En los floculadores de flujo horizontal h' + h'' = h1, es proporcional a la carga de velocidad v

2/ 2g,

así:

g

VNkh

2*

2

1

Dónde: k = constante empírica (2 a 4, comúnmente 3.0) N = número de tabiques V = velocidad promedio de flujo = Q / A = Gasto / Sección transversal. (m/s) g = aceleración de la gravedad, m/s

2

Según el RAS título C (2000), recomienda que la velocidad del agua a través del tanque este entre 0.20 y 0.60 m/s. Algunos diseñadores suelen hacer dos o tres sectores, incrementando el espaciamiento de los tabiques para producir una alta velocidad al principio (0.30 - 0.60 m/s) y baja al final (0.20 - 0.30 m/s). Las velocidades altas (0.60 m/s) Pueden romper el floc, mientras que las bajas (0.10 m/s) permiten la sedimentación de los lodos. Cada una de acuerdo con las fuerzas que mantienen aglutinadas las partículas y los coagulantes que se usen, requiere un estudio especial al respecto.

115

El coeficiente k es adimensional y varía en proporción directa con la perdida de carga e inversa con el cuadrado de la velocidad:

2

1*2

v

h

N

gk

Suele tomarse k = 3.0 como valor promedio, pero en realidad varía entre 2 y 4 según la rugosidad de los tabiques, el espaciamiento entre el extremo de los tabiques y la pared, la temperatura, viscosidad del agua, la forma de la punta de los tabiques (redondeada o cuadrada), etc. De los estudios de Cordón y Samayoa se podría deducir que el valor más frecuente de k tiende hacia 3.0. La pérdida de h2 se puede calcular con la fórmula de Manning así:

L

R

nvSLh

2

322

Dónde: S = pendiente del canal

ltransversacion

gasto

A

Qv

sec

mojadoperimetro

area

P

AhidraulicomedioradioR

n : coeficiente de Manning (puede tomarse 0.013 para superficies de cemento y 0.012 para asbesto-cemento). La pérdida de carga h1 es la que predomina y puede representar hasta el 90% de la pérdida total. La suma de estas pérdidas constituye la carga total, esto es:

21 hhht

Gradiente de velocidad en floculadores hidráulicos La potencia disipada por unidad de volumen en floculadores hidráulicos se calcula Así:

V

hQP t

D

**

Dónde: PD = Potencia disipada Q = Caudal m

3/s

= Densidad del agua Kgf/m3

116

ht = Pérdidas totales V = Volumen m

3

Como )(** vvelocidadAreaQyLAreaV

L

hvP t

D *

Dónde: L = longitud en la cual se produce la perdida de carga hf. v = Velocidad promedio del flujo

Como: Tv

L

vA

LA

Q

Volumen

*

*

T

HPD

*

Donde T = tiempo nominal de retención

siendo g

v

a partir de P se calcula G, así:

Tv

Hg

T

H

V

PG

*

*

*

*

*

El RAS 200, titulo C, recomienda que el gradiente medio de velocidad ( G

) debe estar entre 20 s-1

y 70 s

-1 y el tiempo de detención (td) entre 20 y 30 minutos, deben determinarse en base a las

pérdidas de carga y la longitud de trayectoria del flujo. Floculador de flujo horizontal En este tipo de floculadores, el agua se desplaza en sentido horizontal entre dos tabiques consecutivos haciendo el giro al final de cada uno. Para utilizar un floculador de flujo horizontal, el tanque debe estar dividido por pantallas de concreto u otro material adecuado, dispuesto de forma que el agua haga un recorrido de ida y vuelta alrededor de las mismas. Debe dejarse suficiente espacio para la limpieza de los canales; si éstos son muy estrechos las pantallas deber ser removibles. La Fig. 39, presenta el esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal, vista en planta.

117

Entrada

Entrada

Fig. 39.Esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal

Las principales desventajas de este tipo de floculadores son:

a) Se produce mucho más perdida de carga y por tanto gradiente de velocidad en los giros de 180° del flujo que en los tramos rectos.

b) Cuando los tabiques son fijos, la velocidad es constante para cada flujo. Si se quiere cambiar Q la velocidad cambia y cambia también la pérdida de carga, pudiendo ser o muy alta o muy baja.

Para una velocidad de 60 cm/s. por ejemplo, el gradiente de velocidad en los tramos rectos es de solo 22 seg

-1, mientras que en las puntas de los tabiques puede alcanzar hasta 600 seg

-1 para una

pendiente hidráulica del 5.51%. Por tanto es conveniente disminuir la velocidad del agua en los giros de 180° del flujo para evitar la ruptura del floc. Velocidades no mayores de 15 cm/s. son aconsejables. Por eso tradicionalmente el espaciamiento entre el extremo del tabique y el muro se ha hecho igual a 1.5 veces la separación entre tabiques (E), pero tal regla no debe tomarse como absoluta. La segunda dificultad en este tipo de floculadores es su falta de flexibilidad. Efectivamente habiendo una sección constante en los canales, no se puede variar el gasto de la planta sin que varíe la velocidad de flujo. Por otra parte, la longitud del canal necesario y por tanto él número de tabiques es función de la velocidad del flujo y del tiempo de retención (L = v * t) y no del gasto, el cual solo determina la sección (ancho-profundidad) del canal. Por lo tanto si quiere hacer dos floculadores en lugar de uno, se disminuye el espaciamiento entre tabiques y el tamaño de cada tanque, pero el número de tabiques se multiplica por dos, lo que puede aumentar el costo de construcción. Sin embargo, el floculador hidráulico tiene una serie de ventajas que no deben subestimarse.

Salida

Lt

118

- No tienen cortos circuitos, esto es, que el flujo queda retenido durante un tiempo casi igual al periodo de detención nominal.

- No tiene partes movibles, de forma que su operación y mantenimiento son más simples que de los equipos mecánicos.

- Si bien la pérdida de carga necesaria para producir un determinado gradiente de velocidad es mayor, no requiere consumo externo de energía, lo que es una considerable ventaja cuando el flujo llega por gravedad a la planta.

Esto hace especialmente atractivos a los floculadores hidráulicos en países no industrializados, sobre todo si se modifica el diseño para salvar algunas dificultades que se presentan. Parámetros de diseño

Tiempo de detención y gradiente de velocidad El tiempo de detención y el gradiente de velocidad deben determinarse a través de pruebas de laboratorio. El gradiente medio de velocidad (G) debe estar entre 20 s

-1 y 70 s

-1 y el tiempo de

detención (td) entre 20 y 30 minutos, deben determinarse en base a las pérdidas de carga y la longitud de trayectoria del flujo.

Velocidad del agua El floculador debe diseñarse de manera que la velocidad del agua a través del tanque este entre 0.2 m/s y 0.6 m/s. Sección de los canales La sección de los canales se puede obtener por la fórmula

v

QA

En donde: v = Velocidad promedio del flujo m/s Q = Caudal de entrada m

3/s

Longitud efectiva de cada canal: La longitud efectiva del canal se puede calcular mediante la fórmula: L = B – e Dónde: L = Longitud de canal B = ancho del floculador e = espacio entre los extremos de los tabiques y las paredes del tanque Número de canales

119

El número de canales se calcula mediante la fórmula

L

LN tot

Longitud total La longitud total del floculador se calcula mediante la fórmula: LT = n A + (n-1) B Ejemplo de diseño floculador horizontal Diseñar un floculador hidráulico horizontal, para el municipio de San Pedro, que tiene una capacidad promedio de 0.13 m

3/s. Se ha proyectado efectuar la mezcla lenta mediante dos

floculadores hidráulicos de tabiques de flujo horizontal, trabajando en paralelo, con un tiempo de retención de 30 minutos y una velocidad promedio de 0.2 m/s. Dimensionar los floculadores. El floculador estará constituido por un canal en concreto al cual se le acoplan placas planas de asbesto cemento de 3.6 m * 1.2m * 0.008 m. Se diseñarán dos cámaras de aquietamiento, una para cada floculador. La velocidad de salida de la canaleta Parshall es de 1.01 m/s, y la velocidad de entrada al floculador debe ser de 0.2 m/s. Diseño de las cámaras de aquietamiento, suponemos una pendiente S de 0.1%, y coeficiente de maning de 0.014. Calculo de la cámara de entrada q = Q/2 = 0.13 m

3/s/2 =0.065

Área = q/V =0.065 m3/s

0.2 m/s = 0.33m2

Dimensionamiento Dónde: h = nivel de agua en el canal de entrada Remplazando

mh 24.0

hsm

)8/3(

2/1

3

)001.0(

014.0*/065.0*79.0

120


Con lo cual el ancho b será igual a: b= A/h = 0.33m

2 / 0.33m = 1 m

Calculo del caudal unitario El caudal para un floculador será:

smsm

N

QQ T /065.0

2

/13.0 33

Longitud total canales Longitud total de los canales en el floculador será: Lc = vel * T = 0.2 m/s * 30 min* 60s/min = 360m Área de los canales La sección transversal de los canales será:

23

33.0/2.0

/065.0m

sm

sm

v

QA

Separación entre tabiques

Teniendo en cuenta la altura de la placa de asbesto cemento de 1.2m. Por lo tanto la altura de la lámina de agua será: h = altura de la placa – borde libre Asumimos un borde libre de 0.1 m Por lo tanto h = 1.2m – 0.1m = 1.1m Con lo cual la separación entre tabiques S, es:

mm

m

h

AS 3.0

1.1

33.0 2

Espaciamiento entre los extremos

El espaciamiento entre los extremos de los tabiques y las paredes del tanque será:

121

Por lo general la distancia desde el extremo del tabique y el muro = 1.5 la separación entre tabiques. M = S * 1.5 = 0.3*1.5= 0.45 m

Longitud efectiva del canal

Teniendo en cuenta las dimensiones de las placas de asbesto cemento de 3.6 m * 1.2m * 0.008 m. La longitud efectiva será igual a: L = ancho de placa – espaciamiento de extremos L = 3.6 – 0.45 = 3.15 m

Número de canales

El número de canales será:

28.11415.3

360

m

m

L

LN C

Se diseñarán 114 canales y 113 tabiques.

Longitud total del tanque

La longitud total del tanque, teniendo en cuenta el ancho de las placas de 0.008m, será LT = N* ep+ (N+1)*S = 114 * 0.008 m+ 113*0.3 = 34.8 m

Radio hidráulico

El radio hidráulico será:

mmm

m

Sh

AR 132.0

)3.01.1*2(

33.0

)*2(

2

Calculo de las pérdidas

Las pérdidas por fricción, aplicamos la fórmula de Manning, con un valor de n= 0.013 para cemento,

L

R

nvh

2

322

122

mmsm

h 042.0360*

132.0

014.0*/2.02

322

Y las pérdidas localizadas serán:

g

VNkh

2*

2

1

k = constante empírica (2 a 4, comúnmente 3.0) = 3 N = número de tabiques = 113 V = velocidad promedio de flujo = 0.2 m/s G = aceleración de la gravedad = 9.8 m/s

2

msm

smh 69.0

/8.9*2

)/2.0(113*3

2

2

1

La pérdida de energía total será: hT = 0.69+0.042 =0.73 m

Gradiente de velocidad

El gradiente de velocidad se calcula mediante la fórmula:

T

hG T

.

.

1

24

3

45.5960min*30*/*10*14.1

726.0*/97.998

s

smskgf

mmKgfG

La RAS 2000, recomienda que el gradiente de velocidad se encuentre entre 20 – 70 s

-1,

por lo tanto nuestro diseño cumple con las especificaciones.

La Figura 40, presenta el esquema con las dimensiones definitivas de los dos floculadores, por motivos de área se decide dividir en tres zonas con las mismas características de gradiente y tiempo de retención.

123

Fig. 40. Esquema floculador.

124

Ejemplo de diseño floculador horizontal:

Diseñar un floculador hidráulico de flujo horizontal constituido por un canal en concreto al cual se le

acoplan placas planas de asbesto cemento de 3.6m*1.2m*0.008m.

Diseño de cámara de aquietamiento Es necesario diseñar una cámara de aquietamiento, ya que la velocidad de salida de la canaleta Parshall es de 1.01 m/s, y que la velocidad de entrada debe ser de 0.3 m/s. La pendiente de cada cámara será de de 0.1%, y coeficiente de manning de 0.014. Se consideraran tres zonas cuyos tiempos de detención obtenidos mediante el ensayo de jarras son los siguientes: Zona 1: T=15 min G= 65 S

-1

Zona 2: T=10 min G= 48 S-1

Zona 3: T= 5 min G= 33 S

-1

El diseño se hace con la suposición inicial de la velocidad del flujo en cada una de las zonas, con el objeto de lograr el gradiente requerido. Calculo de la cámara de entrada, Qt=0.130,

Área = q/V = 0.130 𝑚3/𝑠

0.3 𝑚/𝑠= 0.43𝑚2

Dónde: h = nivel de agua en el canal de entrada Remplazando

mh 31.0


Con lo cual el ancho b será igual a: b= A/h = 0.43m

2 / 0.40m = 1.08 m

PRIMERA ZONA

Área seccional del flujo. Se supone una v = 0.3m/s

𝐴 = 𝑄

𝑣=

0.13 𝑚3

0.3 𝑚/𝑠= 0.433 𝑚2

Separación entre placas

hsm

)8/3(

2/1

3

)001.0(

014.0*/13.0*79.0

125

𝑆 =𝐴

ℎ

Dónde: h = Altura de la lámina de agua (m) h = Altura de la placa – Borde libre h = 1.2m – 0.10 m= 1.10m

𝑆 =0.433 𝑚2

1.10 𝑚= 0.394

Separación entre el extremo de la palca y la pared del canal M = E.S Dónde: Haciendo E = 1 ( 1≤E≤1.5) M = 1.5 *0.394 m = 0.59 m Longitud de recorrido del agua L = v*t = 0.3m/s * 15 min * 60 s = 270 m Numero de Tabiques N = número de canales secundarios +/- (Dependiendo si se consideran o no las paredes del canal como tabiques y de la forma de interconexión entre las zonas del floculador)

𝑁 = 𝐿

𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙− 1

𝑁 = 270𝑚

(3.6 𝑚 + 0.59𝑚)− 1 = 63 𝑇𝑎𝑏𝑖𝑞𝑢𝑒𝑠

Perdida de carga total.

∆ℎ = [𝑣 ∗ 𝑛

𝑅0.67]2

∗ 𝐿 + 3𝑣2

2𝑔∗ 𝑁

∆ℎ = [0.3 ∗ 0.014

(0.433

2 ∗ 1.10 + 0.394)0.67]

2

∗ 270 + 3(

0.130.59 ∗ 1.10)

2

𝑚2/𝑠

2 ∗ 9.81 𝑚/ 𝑠2∗ 63

∆ℎ = (0.0042

0.301)

2

∗ 270 + 3 ∗0.040

19.62∗ 63

126

∆ℎ = 0.053𝑚 + 0.385𝑚 = 0.438𝑚 Obsérvese que la perdida de carga en los extremos de los tabiques representa el 88% de la pérdida total. Gradiente de Velocidad

𝐺 = √𝛾 ∗ ∆ℎ

𝜇 ∗ 𝑇

𝐺 = √998.97 𝐾𝑔𝑓/𝑚3 ∗ 0.438𝑚

1.14 ∗ 10−4 𝐾𝑔𝑓 ∗𝑠

𝑚2 ∗ 900𝑠 = √

437.54

0.1026= 65.3 𝑠−1

El gradiente es similar al obtenido en ensayo de jarras 65 s

-1, a su vez el RAS 2000,

recomienda que el gradiente de velocidad se encuentre entre 20 – 70 s-1

, por lo tanto nuestro diseño cumple con las especificaciones.

Longitud del canal principal Lc = N*Espesor de placa + (N+1)*S Lc = 63 *0.008 + 64*0.394= 25.9m

127

Fig. 41 Vista en Planta, corte y 3D de Floculador

128

SEGUNDA ZONA Área seccional del flujo. Se supone una v = 0.25m/s

𝐴 = 𝑄

𝑣=

0.13 𝑚3

0.25 𝑚/𝑠= 0.52 𝑚2


𝑆 =𝐴

ℎ


𝑆 =0.52 𝑚2

1.10 𝑚= 0.47

Separación entre el extremo de la palca y la pared del canal M = E.S Dónde: Haciendo E = 1.5 ( 1≤E≤1.5) M = 1.5 *0.47m = 0.71 m Longitud de recorrido del agua L = v*t = 0.25m/s * 10min * 60 s = 150 m Numero de Tabiques N = número de canales secundarios +/- (Dependiendo si se consideran o no las paredes del canal como tabiques y de la forma de interconexión entre las zonas del floculador)

𝑁 = 𝐿


𝑁 = 150𝑚

(3.6 𝑚 + 0.71𝑚)− 1 = 34 𝑇𝑎𝑏𝑖𝑞𝑢𝑒


129

∆ℎ = [𝑣 ∗ 𝑛

𝑅0.67]2

∗ 𝐿 + 3𝑣2

2𝑔∗ 𝑁

∆ℎ = [0.25 ∗ 0.014

(0.52

2 ∗ 1.10 + 0.47)0.67]

2

∗ 150 + 3(

0.130.71 ∗ 1.10)

2

𝑚2/𝑠

2 ∗ 9.81 𝑚/ 𝑠2∗ 34

∆ℎ = (0.0035

0.334)

2

∗ 150 + 3 ∗0.027

19.62∗ 34

∆ℎ = 0.16𝑚 Gradiente de Velocidad

𝐺 = √𝛾 ∗ ∆ℎ

𝜇 ∗ 𝑇

𝐺 = √998.97 𝐾𝑔𝑓/𝑚3 ∗ 0.16𝑚

1.14 ∗ 10−4 𝐾𝑔𝑓 ∗𝑠

𝑚2 ∗ 600𝑠 = 48.4𝑠−1


-1, a su vez el RAS 2000, recomienda

que el gradiente de velocidad se encuentre entre 20 – 70 s-1

, por lo tanto nuestro diseño cumple con las especificaciones. Longitud del canal principal Lc = N*Espesor de placa + (N+1)*S Lc = 34 *0.008 + 35*0.47 = 16.7 m

TERCERA ZONA Área seccional del flujo. Se supone una v = 0.2m/s

𝐴 = 𝑄

𝑣=

0.13 𝑚3

0.2 𝑚/𝑠= 0.65 𝑚2


𝑆 =𝐴

ℎ


130

𝑆 =0.65 𝑚2

1.10 𝑚= 0.59

Separación entre el extremo de la palca y la pared del canal M = E.S Dónde: Haciendo E = 1.5 ( 1≤E≤1.5) M = 1.5 *0.59m = 0.89 m Longitud de recorrido del agua L = v*t = 0.2m/s * 5min * 60 s = 60 m Numero de Tabiques N = número de canales secundarios +/- (Dependiendo si se consideran o no las paredes del canal como tabiques y de la forma de interconexión entre las zonas del floculador)

𝑁 = 𝐿


𝑁 = 96𝑚

(3.6 𝑚 + 0.89𝑚)− 1 = 34 𝑇𝑎𝑏𝑖𝑞𝑢𝑒


∆ℎ = [𝑣 ∗ 𝑛

𝑅0.67]2

∗ 𝐿 + 3𝑣2

2𝑔∗ 𝑁

∆ℎ = [0.2 ∗ 0.014

(0.65

2 ∗ 1.10 + 0.59)

0.67]

2

∗ 150 + 3(

0.130.89 ∗ 1.10)

2

𝑚2/𝑠

2 ∗ 9.81 𝑚/ 𝑠2∗ 34

∆ℎ = 0.037 Gradiente de Velocidad

𝐺 = √𝛾 ∗ ∆ℎ

𝜇 ∗ 𝑇

131

𝐺 = √998.97 𝐾𝑔𝑓/𝑚3 ∗ 0.037𝑚

1.14 ∗ 10−4 𝐾𝑔𝑓 ∗𝑠

𝑚2 ∗ 300𝑠 = 33𝑠−1


-1, a su vez el RAS 2000, recomienda

que el gradiente de velocidad se encuentre entre 20 – 70 s-1

, por lo tanto nuestro diseño cumple con las especificaciones

Longitud del canal principal Lc = N*Espesor de placa + (N+1)*S Lc = 12 *0.008 + 13*0.59 = 8 m

132

Comentario [LSg1]: ojo falta terminar hacer los detalles de cada zona y acotar,

133

7 SEDIMENTACIÓN

Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso específico mayor que el fluido. La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por sedimentación o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como complementarios. La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del agua o que han sido re-suspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el proceso anterior. La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo se utilizan para designar la sedimentación los términos de clarificación y espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada. Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida (Maldonado Yactayo, 2004). Sedimentación de partículas discretas

Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de características (forma, tamaño, densidad) durante la caída. Se denomina sedimentación o sedimentación simple al proceso de depósito de partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimentadores como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y también en sedimentadores como paso previo a la filtración lenta. Sedimentación de partículas floculentas Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas —forma, tamaño, densidad— sí cambian durante la caída. Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de partículas floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas, como proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración rápida Sedimentación por caída libre e interferida Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito

134

FG

masivo en lugar de individual. A este proceso de sedimentación se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal. Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de lodos.

7.1 TEORÍA BÁSICA DE SEDIMENTACIÓN

Para analizar con mejor amplitud el fenómeno de la sedimentación simple conviene enfocar en primer lugar el caso más general del movimiento de una partícula cualquiera en un fluido cualquiera y referirse después en detalle a los casos particulares de los procesos técnicos de tratamiento. Sedimentación de partículas discretas con caída libre

El fenómeno de sedimentación de partículas discretas por caída libre, también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la mecánica clásica, que infiere que una partícula que se encuentra en un líquido está sometida a dos fuerzas, La flotación FF, que es igual al peso del volumen de líquido desplazado por la partícula, de acuerdo al conocido principio de Arquímedes; y la fuerza gravitacional FG, ver Fig. 42.

Fig. 42. Fuerzas actuantes en una partícula. En este caso la sedimentación es solamente una función de las propiedades del fluido y las características de las partículas según se demuestra a continuación: Si se imagina el caso de una partícula que se deja caer en el agua. esta partícula estará sometida a dos fuerzas, Fig. 42. Fuerza de flotación (FF), que es igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula (principio de Arquímedes), y fuerza gravitacional (FG).

Si VgFf ** [1] y VgF sG ** [2]

= Densidad del líquido

s = Densidad del solido

V = volumen de la partícula De la acción de ambas fuerzas tenemos la fuerza resultante, que será igual a la diferencia de estos dos valores y estará dada por:

)(** sVgFi [3]

Dónde:

FF

135

Fi = fuerza resultante o fuerza de impulsión Arrastrada por esta fuerza la partícula desciende con velocidad creciente, pero a medida que baja la fricción que el líquido genera en ella crea una fuerza de roce definida por la ley de Newton, cuyo valor es:

2

***

2

s

Dr

VACF [4]

En la cual: Fr = Fuerza de rozamiento CD = coeficiente de arrastre A = área transversal al escurrimiento Vs

= Velocidad de sedimentación

Vs 2

= Energía cinética 2 Después de un corto periodo, la aceleración pasa a ser nula y el valor de la fuerza de rozamiento (Fr) igual a la de impulsión (Fi), momento en el cual la partícula adquiere una velocidad constante, la cual es conocida como velocidad de asentamiento o sedimentación, en este momento se cumple que (3) es igual a (4). Y, por tanto:

2

***)(**

2

S

Ds

VACVg [ 5]

Despejando el valor de Vs se obtiene:

))((2

A

V

C

gV s

D

s

[ 6]

Para el caso particular de sólidos esféricos:

4

2dA

y

6

3dV

d

A

V

3

2

Que, remplazando en la ecuación (6), se obtiene:

)3

2)((

2d

C

gV s

D

s

dC

gV s

D

s )(3

4

[ 7]

En la cual: Vs = velocidad de sedimentación d = diámetro de la partícula g = aceleración de la gravedad

136

s = densidad de la partícula

= densidad del fluido El coeficiente de arrastre de Newton es una función del número de Reynolds y de la forma de las partículas

n

D aC Re

Siendo

dVs *Re

Dónde: Re = número de Reynolds A = constante específica d = diámetro de la partícula

= viscosidad cinemática (cm2 / s = stokes)

Para calcular la velocidad de sedimentación utilizando la fórmula de Fair, se pueden emplear los siguientes criterios:

Para flujo laminar (Re 1) tenemos que:

Re

24DC y Ss

s

Dónde: Ss = Densidad relativa

2

)1(18

dSs

gVs

Cuando d > 1mm, Re> 1.000, presentan flujo turbulento, para lo cual: CD = 0.4 Reemplazando,

dSsgVs )1(**3.3

Que se conoce como la ecuación de Newton.

http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Farmacia/T02_Dinamica.pdf

137

7.2 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓN

Dependiendo del tipo y concentración de sólidos o partículas en suspensión, Arboleda (2000), clasifica los procesos de sedimentación, en la Tabla 37.

Tabla 37. Tipos de sedimentación

TIPO DE SEDIMENTACIÓN

CARACTERÍSTICAS DE LOS SÓLIDOS EN

SUSPENSIÓN

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

EJEMPLOS

1. Partículas

discretas

Partículas discretas y aisladas en soluciones diluidas

No hay interacción entre las partículas y entre las partículas y el resto del fluido

Movimiento de sedimentación de partículas en desarenadores o presedimentadores

2. Partículas

aglomerarles

Partículas aglomerables en soluciones relativamente diluidas

Las partículas se aglomeran agrupándose en partículas de mayor tamaño

Sedimentación de flocs en decantadores horizontales o de placas

3. Soluciones de

concentración

intermedia

Soluciones de concentración intermedia

Las partículas interfieren entre sí en su descenso manteniendo posiciones estables.

Deposición de lodos en decantadores de flujo ascendente.

4. Sedimentación

por compresión

Soluciones de alta concentración

Se forma una estructura entre las partículas que va modificándose lentamente con el tiempo

Compactación de depósito de lodos

Tomada de: (Arboleda Valencia, 2000)

La sedimentación o la decantación se realizan en reactores denominados sedimentadores o decantadores, de acuerdo con el tipo de partícula y el sentido de flujo que se remueva en cada unidad. La clasificación más recomendable es la siguiente, Tabla 38:

Tabla 38. Clasificación de los procesos de sedimentación según el sentido del flujo.

SENTIDO DEL FLUJO

TIPO DE SEDIMENTACIÓN

EJEMPLO TASA DE FLUJO

m3/m

2/d

Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 – 420 15 - 30

Vertical 2 y 3 Manto de lodos 45 - 60

Inclinado (ascendente o descendente)

1 y 2 Decantadores con placas.

120 - 180

Tomada de (Arboleda Valencia, 2000)

En la figura Fig. 43, se puede observar los diferentes tipos de sedimentadores de acuerdo al sentido del flujo, además de detalla el tipo de sedimentación (clarificación ) que se lleva a cabo en cada parte del proceso.

138

Fig. 43. Tipos de sedimentadores según el sentido del flujo Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

7.3 MODELO TEÓRICO DE LA SEDIMENTACIÓN CONVENCIONAL

Es importante conocer el modelo teórico de la sedimentación convencional desarrollado por Hazen y Camp, antes de desarrollar la metodología de diseño de sedimentadores de flujo horizontal, vertical o inclinado, ya que ayuda a definir conceptos y se establecen parámetros que son, como se verá más adelante, aplicables también al caso de partículas aglomerables. El modelo fue desarrollado por Hazen en 1904 y luego lo retomó Camp en 1946 y se basa en la concepción de un tanque de sedimentación ideal. Camp, lo definió como “el decantador hipotético en el cual la sedimentación se realiza exactamente en la misma manera que en un recipiente de igual profundidad que contenga un líquido en reposo”. El modelo responde a las siguientes características:

1. Se identifican en el tanque de sedimentación cuatro zonas independientes: de entrada, de salida, de sedimentación y de retención de partículas sedimentadas.

2. Hay una distribución uniforme de partículas en la entrada. La concentración de partículas de cada tamaño es por lo tanto la misma en todos los puntos de la sección transversal de entrada.

3. En la zona de sedimentación la dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, por lo que responde a un modelo de flujo tipo piston.

4. Toda partícula que entra a la zona de lodos queda atrapada y se considera removida. 5. Las partículas aun siendo de diferentes tamaños, se comportan con partículas discretas y

aisladas en la zona de sedimentación, o sea se produce clarificación tipo 1. Una unidad de sedimentación consta de cuatro zonas:

- Zona de entrada cuya función es la distribución del agua en forma que la velocidad sea uniforme en toda la sección transversal, minimizando además las corrientes que causan turbulencia.

139

- Zona de sedimentación propiamente dicha, donde se produce la remoción de sólidos del agua.

- Zona de salida o recolección del agua, la cual recoge el agua clarificada en forma que la velocidad sea lo más uniforme posible.

- Zona de depósito de lodos, utilizada para almacenar los lodos sedimentados hasta el momento que se retiren del reactor.

En la Fig. 44, esquematiza las diferentes zonas componentes de un sedimentador.

Fig. 44. Zonificación de un sedimentador convencional Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

El comportamiento de partículas de diferentes velocidades de sedimentación corresponde a trayectorias rectas en la zona de sedimentación debido a la composición de los dos movimientos: el de desplazamiento con el flujo de velocidad vf y el de sedimentación respecto al fluido de velocidad vs, como se explicó anteriormente. Según sea pequeña o alta la velocidad de sedimentación, vs, de las partículas se pueden producir las situaciones indicadas. La Fig. 45, presenta el caso en que la velocidad de sedimentación es menor que la crítica, en este caso solo una parte de las partículas queda retenida, en el caso de la

ZO

NA

DE

EN

TR

AD

A

ZO

NA

DE

SA

LID

A

ZONA DE SEDIMENTACION

ZONA DE SEDIMENTACION

ZO

NA

DE

EN

TR

AD

A

ZO

NA

DE

SA

LID

A

E S

ZONA DE LODOS

CORTE LONGITUDINAL

PLANTA

140

Fig. 46, la velocidad es más alta que la velocidad de sedimentación critica por lo tanto, todas las partículas quedan retenidas.

Fig. 45. Esquema de sedimentación para bajas velocidades

Fig. 46. Esquema de sedimentación en el caso de altas velocidades Vs mayores que la critica Ahora bien, el sedimentador “ideal” se diseña para eliminar el 100% de las partículas que tengan una determinada velocidad de sedimentación crítica vsc, o mayor, que son las que estando en posiciones extremas a-a de la zona de sedimentación son retenidas en las posiciones extremas b-b de la zona de lodos, ver Fig. 47.

Fig. 47. Diagrama sedimentación ideal

V

VS H

H´

H

H´

V

VS

Vf

VSc

L

H

B

As

b

b

a

a

141

En un sedimentador ideal de forma rectangular y con un flujo horizontal la resultante será la línea recta. Así mismo, otras partículas discretas se moverán en lugares geométricos paralelos (a – b) pudiendo establecer semejanza de los triángulos: de velocidades y las dimensiones del sedimentador. Si (L) es la longitud, (B) el ancho y (H) la altura del tanque , se obtiene:

BH

QVf

Donde Q = Flujo en el tanque Vf = Velocidad de flujo De la semejanza de triángulos formados por H Y L y por el diagrama vectorial de velocidades se tiene que:

L

H

Vf

Vsc

S

scA

Q

BL

Q

BHL

QH

L

HVfV

Donde:

As = Área superficial del sedimentador.

Al cociente Q/As que tiene esencialmente dimensiones de velocidad selo denomina carga

superficial y se expresa en: m3/m

2/d o m

3/m

2/h.

Esta expresión, como se verá más adelante tiene una importancia fundamental. En efecto y

observando la se puede deducir que de acuerdo a éste modelo, todo conjunto de partículas de

velocidad de sedimentación vs, igual o mayor que la velocidad crítica vsc, quedará retenida con una

eficiencia del 100% y todo conjunto de partículas de velocidad de sedimentación menor que la

carga superficial será retenido en forma parcial con una eficiencia proporcional al cociente.

SAQ

Vsc

/

Esto resulta de tener en cuenta que en el tanque ideal las partículas tienen una distribución

uniforme en la entrada y la eficiencia de retención para conjunto de partículas de velocidad de

sedimentación vs, queda expresada por el cociente.

SAQ

s

sc

s v

tv

tv

H

HE

´

Donde

142

T = Tiempo de sedimentación = V/Q

V = Volumen del tanque

Si Q se expresa en m

3/m

2/d y As en m

2, Vsc tiene como unidades m

3/m

2/d. Dicho de otra forma, la

carga superficial o tasa de sedimentación, conocido parámetro de diseño, es equivalente a la velocidad de sedimentación crítica. Criterio que sirve para exclusivamente explicar la teoría básica de clarificación y puede ser útil para diseñar cierto tipo de sedimentadores: desarenadores. Todas las partículas que tengan velocidades de sedimentación iguales o mayores que Vsc sedimentaran. Pero las partículas que tengan velocidades de sedimentación menores a Vsc no sedimentaran. Se deduce entonces que la eficiencia de un sedimentador ideal solamente depende de la relación entre la velocidad de las partículas y la velocidad de sedimentación. A esta relación se le conoce como el número de Hazen.

7.4 SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL

Estos sedimentadores, a su vez, se clasifican de acuerdo a la forma en: rectangulares, circulares y cuadrados. Los decantadores o sedimentadores rectangulares tienen la forma y características detalladas en la figura ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., con la ventaja de permitir una

instalación compacta, aunque su costo es más elevado.

143

Fig. 48. Sedimentadores horizontales de forma rectangular Fuente: Elaboración propia

Por ser los sedimentadores horizontales en forma rectangular los que más se han utilizado, se hace referencia a éstos. Este tipo de decantación ha entrado en desuso debido al gran espacio que ocupa, imponiéndose en la actualidad la sedimentación en alta tasa. La unidad debe constar de: Zona de entrada.

La entrada del agua a los sedimentadores debe ser realizada por un dispositivo hidráulico capaz de distribuir el caudal uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar la energía que trae el agua y garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual intensidad y dirección evitando altas velocidades que puedan arrastrar los lodos ya depositados, utilizando valores menores que 0.15 m/s. Para los sedimentadores el dispositivo de entrada a la unidad debe trabajar con un gradiente igual al de la última cámara de floculación. En la última zona de floculación el gradiente de velocidad que tiene el agua puede estar comprendido entre 20 y 40 s

-1. Esto implica que no es fácil hacer pasar

el agua de un floculador a un sedimentador sin que se produzcan grandes perturbaciones en las líneas de flujo.

Rebose

Canal de AguaDecantada

Canaletade Salida

Floculador

PLANTA

Canaleta de Salida

Vertedero de Rebose

Canaletade AguaSedimentada

Consentracion de Lodos

Floculador

CORTE

144

Varios dispositivos pueden ser considerados, tales como pantalla perforada, canal con orificios laterales o de fondo, muros dobles y canal con orificios combinado con pantalla perforada. Algunas de estas estructuras se muestran en la Fig. 49.

Tabique

de Madera

Perforado

Floculador

14 ó 15 h

15 ó 16 h

0.30 m

Tabique Difusor

de Concreto

Floculador

Muro SólidoSedimentador

Canal de Agua

Floculada

Floculador Sedimentador

Tabique Difusor

de Concreto

Floculador

Tabique Difusor

de Concreto

Sedimentador

Fig. 49.Dispositivos de entrada para decantadores

Tomada de: (Arboleda Valencia, 2000) Zona de sedimentación.

Debe constar de una cámara con volumen y condiciones de flujo adecuados que permitan la sedimentación de las partículas. No debe contener ningún elemento que interfiera el paso del flujo dentro de esta zona. Zona de salida. Los dispositivos de salida, conjuntamente con los de entrada ayudan a garantizar la buena distribución del agua entre los diferentes tanques de sedimentación y determina la mayor o menor proporción de partículas que pueden ser resuspendidas en el efluente. El agua puede ser retirada del sedimentador por medio de vertederos, canaletas u orificios con perforaciones que al tiempo que fijan el nivel del agua en el mismo, reducen las velocidades

145

Longitud

Necesaria

(L)

Canal de Agua Sedimentada

VertederoVertedero

PLANTACORTE

ascendentes de aproximación a las estructuras de salida, disminuyendo el transporte de los flóculos hacia los filtros. El objeto del vertedero es recolectar el agua a todo lo ancho del sedimentador; debe funcionar libre para garantizar que la carga sobre el sea constante y el agua salga uniformemente, el diagrama en corte y planta de la disposición del vertedero se observa en la Fig. 50.

Fig. 50. Vertedero de recolección de agua sedimentada Fuente: Elaboración propia

Recolección y descarga de lodos.

Para los sedimentadores con remoción manual de lodos deben presentar además las siguientes características: 1. El punto de descarga del sedimentador debe situarse preferencialmente en la zona de mayor

acumulación de lodo.

2. El fondo debe tener pendiente no inferior a 5° en el sentido del punto de la descarga.

3. Las unidades deben tener una altura adicional suficiente para acumular el lodo resultante de 60 días de funcionamiento, si no se hace remoción continua de lodos.

En la zona de lodos deben ser considerados dos aspectos: tolva de lodos, drenaje y remoción de lodos.

Tolva de lodos. Los lodos se depositan en un sedimentador de tal manera que entre el 60% y el 90 % lo hacen en el primer tercio de su longitud. Para almacenarlos adecuadamente la tolva debe tener la forma que se presenta en la Figura 51.

El volumen de la tolva de lodos puede ser calculado mediante fórmulas como la que se presenta en título sedimentación de alta tasa volumen de lodos. Un buen criterio es dejar para depósito de

lodos un 20 % adicional sobre el volumen de la zona de sedimentación, quedando la frecuencia de lavado determinada por dicho volumen.

146

TolvaForma Como se

Depositan los Lodos

si el Fondo Fuera

Plano

L/3 2L/3

5-10 % 2.5-5 %

CORTE

Variable

Variable

PLANTA

Fig. 51. Detalles zona de lodos sedimentador convencional

7.4.1 CRITERIOS DE DISEÑO PARA SEDIMENTADORES HORIZONTALES (CONVENCIONALES)

En esta zona es necesario considerar los siguientes factores en el diseño de la zona de sedimentación: carga superficial, periodo de detención y profundidad, forma de los sedimentadores, velocidad horizontal de escurrimiento relación largo – profundidad y número de unidades.

147

Carga superficial. La carga superficial, como fue considerada anteriormente, es la relación entre el caudal que ingresa al sedimentador, Q y el área superficial A , esto es:

A

QVsc

Dicho parámetro se refiere a la velocidad crítica mínima que produzca una eficiencia remocional esperada, comprendida entre el 70 % y el 98 %. Su valor depende de los siguientes factores: calidad del agua cruda, peso y grado de hidratación del floc, forma y tipo de decantador adoptado, control del proceso, tipo de coagulante utilizado y grado de eficiencia deseado.

La determinación de la carga superficial puede hacerse experimentalmente o seleccionarse de parámetros de tipo general tal como fue descrito en el numeral 8.3.1. La carga superficial debe estar entre 15 m

3/(m

2.día) y 30 m

3/(m

2.día).( RAS 2000)

Período de retención. El período de detención es el tiempo que tarda la partícula critica en llegar desde la superficie del agua hasta el fondo de la zona de sedimentación y por consiguiente depende de la profundidad, esto es, cuanto menor sea ésta, menor será el tiempo de detención necesario para la remoción de la partícula crítica. La RAS (2000) recomienda un t de 2 – 4 horas.

Las profundidades fluctúan entre 4 y 5 m (RAS 2000).

Forma de los sedimentadores. Para tanques rectangulares, la relación entre longitud a ancho (L/B) entre 3:1 y 5:1 (López Cualla, 1995), dando mejores resultados los tanques largos . La relación entre el largo y la profundidad debe estar entre 5 : 1 y 25 : 1.

Velocidad horizontal. La velocidad produce dos efectos opuestos: ayuda a la floculación en los tanques aumentando el peso y el tamaño de las partículas que se desean remover, y arrastra y resuspende los flóculos ya depositados. Por consiguiente el valor de la velocidad debe ser tal que estimule la floculación sin producir arrastre de sólidos. El sedimentador de flujo horizontal debe diseñarse de forma que permita una velocidad horizontal del flujo de agua de máximo 1 cm/s. Para el caso de que se utilice sulfato de aluminio, la velocidad horizontal optima podría ser alrededor de 0.5 cm/s o menos (RAS 2000).

Pendiente longitudinal: La pendiente longitudinal del fondo debe ser mayor al 2%.

Número de unidades: En una planta deben existir por lo menos dos unidades. Para los niveles bajo y medio de complejidad, la planta de tratamiento debe tener como mínimo

dos unidades, de tal manera que cuando una se saque de servicio, ya sea por lavado o por reparación, se pueda seguir trabajando con la otra.

Para los niveles medio alto y alto de complejidad debe tener como mínimo tres unidades (RAS

2000). Los principales criterios de diseño se simplifican en la Tabla 39

Tabla 39. Criterios de diseño para sedimentadores convencionales

Criterio

Dimensiones

CS (m

3/m

2*d) t (h)

Q/l (L/s*m)

Vh (cm/s) h (m) B (m)

L (m) L/B L/h

148

Asce-Awwa-CSSE >3 <75 3-5 14-44 2-4 1,7-3,7 0,25-1,5

Insfopal 3-5 7-30 15-90 2,0-7,0 <1,25

Cepis 3-4 <12 <48 14-24 4-6 <1,7 <0,25

Fair y Geyer 72

Azevedo Netto 20-60

Smethurst 18-27 <2,0

Peavy, Rowe, Tchobanoglous 3,5-10 15-40 2-4 10-20

RAS 2000 4-5 4-8 5-25 15-30 2-4 1,7-3,6 1

h=profundidad; B=ancho; L=longitud; Q/l=carga sobre el vertedero; Vh=velocidad horizontal del flujo

Fuente: Villegas de Brigard,( 2008)

7.4.2 EJEMPLO DE DISEÑO

Diseñar cuatro sedimentadores convencionales rectangulares en paralelo, para la población de San Pedro con los datos obtenidos anteriormente. Teniendo en cuenta que el análisis de laboratorio de columna de sedimentación reportó una carga superficial de 25 m

3/m

2*d, producirá

una remoción satisfactoria por sedimentación a una profundidad de 4m. Solución:

a) Calculo del caudal unitario

dmsLsmsm

n

QtQ /2,2851/33/033.0

4

/313.0 33

b) El área del sedimentador será:

2

23

3

0,114*/25

/2,2851m

dmm

dm

q

QAs

c) Ancho del sedimentador

Si la relación largo ancho L/B = 4, el ancho del sedimentador será:

mm

BL

AB 34.5

40,114

/

2

d) La longitud será

mm

B

AL 35,21

34.5

114 2

149

e) El tiempo de retención será:

hddm

m

Q

HATRH 8.316.0

/32,2851

4*114* 2

OK Chequea TRH (2-4h)

f) La velocidad horizontal del flujo será:

scmdmdm

BH

QVh /15,0/5,133

34,5*4

/2,2851

*

3

g) Diseño de la estructura de salida

La carga sobre el vertedero se calcula según la ecuación

qu = msmm

dm

B

Q*/9,533

34,5

/2,2851 33

Tomando un ancho de canaleta de 0.3, el caudal de la canaleta será:

smdmmm

mdm

anchocanalB

BQQc /030.0/32,2563

)3.0*234.5(34,5*/2,2851

*2

* 33

La profundidad de la lámina en ella será de:

mm

sm

ac

Qch 17.0

3.0*375.1

/030.0

*375.1

3/233/2

0

ho es > 0.08m con lo cual el cálculo es correcto OK.

Por lo tanto para calcular la altura del vertedero de salida aumentamos de 10 – 15 cm, de la altura de la lámina de agua, con lo cual la profundidad del vertedero Hv = 0.17+0.13 = 0.3m

h) Calculo de la tolva de lodos

Asumimos una pendiente de 10% (100 en X y 10 en Y) para L/3, como L/3= 7.7 m el valor

de la profundidad de la tolva de lodos es de h = 0.77m. La pendiente en el siguiente tramo

(2L/3=15.3) será de 5%.

150

El diseño de la tolva se observa en la figura

Mediante Autocad calculamos el volumen de la tolva:

V 1= 25.7 m3

V 2= 16.9 m3

V 3= 24.8 m3

V 4= 33.6 m3

VT = 101.0 m3

Como el volumen de la tolva aproximadamente se calcula con base en el 20% del tanque

de sedimentación tenemos que:

Vsed = 130.2 m2 * 4m = 520.8 m

3

V tolva = 520.8 m2* 0.2m = 104.2 m

3 similar al calculado (101.0 m

3), OK

Por lo tanto el diseño es correcto OK

i) Dimensionamiento: En las Fig. 52 y Fig. 53, se observa el diseño preliminar de un

sedimentador convencional.

10%

10%

5%

5%

23

5,7 V4

V1

V2

V3

151

Fig. 52. Vista en corte sedimentador

0,2 7.7 15.3 0,2

5.7

23

Fig. 53. Vista en planta sedimentador

Comentario [LSg2]: falta poner la pendiente de 5 – 10 para L/3 y de 2.5 – 5 %. Hacer este grafico en autocad

152

h

H

Vs

Vs 0

7.5 SEDIMENTACIÓN LAMINAR O DE ALTA TAZA

Hazen en 1904 enuncia los principios teóricos de la sedimentación laminar en la siguiente forma: “la acción del tanque sedimentador depende de su área y no de su profundidad, una subdivisión horizontal produciría una superficie doble para recibir sedimentos, en lugar de una sencilla, y duplicaría la cantidad de trabajo. Tres de aquellas subdivisiones la triplicarían y así sucesivamente. Si el tanque pudiera ser cortado por una serie de bandejas horizontales, en un gran número de celdas de poca profundidad, el incremento de eficiencia sería muy grande”. Y luego continuaba: “el problema practico más difícil de resolver es el método de limpieza. Todo el aparato debe poderse limpiar en forma fácil y barata. Esta operación deber hacerse con más frecuencia, por cuanto con la profundidad reducida a un pequeño valor, la cantidad de agua que pasa por el espacio dado en un tiempo dado, será proporcionalmente mayor, y con ella la cantidad de lodos depositados” (Camp & Estrada, 1946).

Fig. 54. Sedimentación de partículas

Aplicando los principios de Camp y Hazen a un sedimentador convencional, su eficiencia depende de la carga superficial dada por: q = Q / A La velocidad de sedimentación (Vs) será la determinada por la carga superficial (q) . Si la eficiencia de un sedimentador no depende de su profundidad, podríamos tener “n” compartimentos de escasa profundidad, obteniendo un sedimentador “n” veces más pequeño, en la cual la velocidad de sedimentación será la misma (Vs), pero la carga superficial aparente (q) será teóricamente “n” veces mayor Fig. 54. Si adicionalmente se regula la velocidad disminuyendo la separación de los comportamientos hasta obtener un numero de Reynolds inferior a 500, se tendrá flujo laminar con un mejoramiento apreciable de la eficiencia del proceso. Yao desarrollo las bases teóricas del cálculo de sedimentadores laminares (Yao, 1970), Culp y colaboradores en los EE.UU. facilitan los primeras aplicaciones prácticas y Lamella en Europa

153

utilizo tubos o laminas paralelas inclinadas con separaciones y longitudes reales que produzcan flujo laminar, obteniendo soluciones de muy elevada eficiencia. Los términos “sedimentación de alta tasa” o “sedimentación acelerada” son sinónimos y hacen referencia a sedimentadores poco profundos, formados por una serie de tubos: circulares, cuadrados, octogonales o sucesión de láminas paralelas, sean estas planas u onduladas, entre las cuales circula el agua de flujo laminar. Con ello se logra periodos de retención muy pequeños: iguales y generalmente menores a 15 minutos, permitiendo utilizar normalmente cargas superficiales aparentes de 100 a 300 m

3/m

2/d y muy bajas velocidades de sedimentación

generalmente menores a 0.02 cm/s con presentación de regímenes de flujo laminar. Características técnicas que determinan soluciones sumamente económicas y altamente eficientes para la clarificación tanto de agua potable como de aguas servidas.

7.5.1 CLASIFICACIÓN

7.5.1.1 DE ACUERDO A LOS TIPOS DE MÓDULOS.

Tubulares Cuadrados, rectangulares, circulares, hexagonales, octogonales, indicados en la Fig. 55. Los tubos son generalmente de PVC.

Fig. 55. Tipos de módulos

De placas

Q

Q

CUADRADOSRECTANGULARES

Q CIRCULARESQ

HEXAGONALES

154

Estas pueden ser paralelas (planas u onduladas como se indica en la Fig. 56) o también pueden agruparse en láminas corrugadas de diversas formas.

Fig. 56.Tipos de placas

7.5.1.2 DE ACUERDO A LA DIRECCIÓN DEL FLUJO

De flujo horizontal En los cuales el flujo del agua es o tiende a ser horizontal. La Fig. 57, representa un sedimentador laminar con láminas ligeramente inclinadas con un ángulo de 5º (ángulo de máxima eficiencia remocional). Se requiere en esta solución invertir el flujo para realizar la limpieza del sedimentador. Esta solución es muy utilizada en plantas comerciales o plantas de pequeña capacidad (inferior a 50 l/s). Se limita su uso por razones económicas únicamente. Para evitar el lavado y obtener al mismo tiempo máxima eficiencia y escurrimiento de lodos depositados en las láminas se puede recurrir a las soluciones indicadas en la

Placas Inclinadas

Placas Onduladas de Aluminio Anodizado

Placas Onduladas AC Para cubiertas

Placas de Formas Especiales

3.8

7 cm

155

Fig. 57, siendo estos sedimentadores laminares de flujo horizontal (máxima eficiencia) pero con láminas planas paralelas para obtener la pendiente necesaria de escurrimiento de flóculos.

Fig. 57. Sedimentador horizontal Fuente: Elaboración propia

156

De flujo inclinado ascendente Estos tipos de sedimentadores son los más usados. Generalmente en la parte inferior del sedimentador se presenta una zona de distribución de agua, existiendo en la parte medios módulos inclinados con un ángulo de 45º a 60º. El agua se recolecta lateralmente en la parte superior. En la Fig. 58, se indican las primeras soluciones utilizadas y las actuales soluciones. La aplicación actual más comúnmente utilizada de sedimentadores laminares de flujo inclinado ascendente consiste en la modificación de unidades convencionales de sedimentación convencional. En la Fig. 58, se indican proyectos de modificación de sedimentadores convencionales circulares con canaletas de recolección de agua sedimentada de forma radial y concéntrica a sedimentadores laminares de flujo ascendente. Se puede aplicar con éxito sedimentación laminar con ciertas condiciones de calidad de agua y material transportado, en nuevos diseños o en modificación de desarenadores, ya sea para incrementar su eficiencia o su capacidad, o ambas cosas simultáneamente.

Fig. 58.Sedimentadores Laminares Fuente: Elaboración propia

De flujo inclinado descendente La sedimentación acelerada también se puede presentar descendente. Para la remoción de aceites y también de sólidos, estas unidades son más eficientes que las de flujo ascendente. El mayor problema radica en el sistema de recolección de aguas decantada. En estas unidades el flujo entra en la parte superior y desciende a traves de un conjunto de placas paralelas. El sector de agua clara se forma en cada celda en la cara superior, de donde se extrae el efluente por un sistema de bandejas o tubos. En este caso el escurrimiento de lodos es más fácil, por cuanto se produce en la misma dirección del flujo y, por lo tanto, el ángulo de inclinación puede ser menor a los de flujo ascendente, existe muy poca información sobre estas unidades.

AGUA CRUDA

AGUA DECANTADA

AGUA CRUDA

157

Este tipo de solución (flujo inclinado descendente) también puede utilizarse sin recurrir a soluciones patentadas.

7.5.2 FUNDAMENTOS DE LA SEDIMENTACIÓN DE FLUJO LAMINAR O ALTA TASA

Las tres diferencias básicas entre los sedimentadores convencionales antes descritos y los de flujo laminar o de alta tasa son:

1. El fondo del decantador no es horizontal sino inclinado.

2. La profundidad del decantador es muy baja de forma que hay que construir un número

considerable de celdas superpuestas para poder tratar los volúmenes de agua que se

acostumbran en la práctica.

3. El flujo en el decantador es laminar con NR menor de 500.

Por tanto, al comparar la eficiencia de un decantador de flujo horizontal con uno de placas, es necesario considerar el ángulo que este último hace con el horizonte y efectuar una descomposición vertical de velocidades para hallar una expresión que asimile las cargas superficiales en los sedimentadores convencionales a las que se producen en los decantadores de planos inclinados. Se dijo antes que en un sedimentador horizontal, de acuerdo con la teoría de Hazen (1904) y Camp (Camp & Estrada, 1953), existe una partícula crítica. La velocidad con la cual cae

verticalmente dicha partícula es la velocidad crítica, scv , que suele expresarse como carga

superficial Q/ As. Según este concepto toda partícula con velocidad mayor que la crítica resulta removida en el proceso y la que tiene velocidad menor que ella escapa con el flujo. En la definición de partícula crítica entre mayor Vsc se escoja, mayor número de partículas más

finas que la crítica escapan. Por tanto, para una misma suspensión, según se tenga un scv mayor

o menor, quedarán removidas mayor o menor número de partículas. Entre mayor sea la velocidad crítica seleccionada por el proyectista (o carga superficial) mayor número de partículas más finas que la crítica escapan, como lo explica la Fig. 59.

158

Fig. 59. Sedimentación de partículas


scv

SELECCIONADA

PARTICULAS REMOVIDAS

PARTICULAS

QUE ESCAPAN

3 3 – 4 – 5 1 – 2

4 4 – 5 1 – 2 – 3

5 5 1 – 2 – 3 - 4

Como es bien sabido, sobre estos fundamentos, que tienen no poco de súper simplificación del fenómeno, se han desarrollado los más conocidos modelos de la sedimentación en decantadores de flujo horizontal.

Ahora bien, cuando estos mismos conceptos son aplicados al caso de un decantador con fondo y flujo inclinados, las expresiones que tradicionalmente se han venido utilizando deben replantearse.

Esto puede hacerse en forma rigurosamente matemática, como lo hizo Yao (1970) o más simplemente, empleando sencillas relaciones geométricas como se observa en la Fig. 60, (Yao, 1970).

Cuando una partícula asciende con una velocidad media, 0, arrastrada por el flujo entre dos placas planas paralelas que forman un ángulo con la horizontal, la velocidad resultante que

determina la trayectoria de la partícula, puede descomponerse en dos componentes x y y.

VsVs

Vsc

Vs

Vs

Partícula Critica

1

2

3

4

5

159

En este caso si = 00, y, es igual a sc o sea a la velocidad teórica de descenso de la partícula

crítica en un sedimentador horizontal.

Si en cambio, = y el decantador está inclinado, la velocidad y, (perpendicular a las placas) no

es igual a la velocidad sc que actúa verticalmente en el sentido de la gravedad.

Esta velocidad y, puede determinarse considerando los triángulos semejantes BFC y GIH (vér Fig. 60) y comparando sus lados así:

xy v

l

v

e [ 1]

Fig. 60. Relaciones geométricas en un decantador inclinado Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

De donde:

xy vl

ev [2]

ó e

lLsivvl xy . [3]

Por otro lado:

cosscy vv [4]

160

senvvv scox [5]

Donde x es la velocidad de traslación de la partícula que depende del ángulo .

Reemplazando las expresiones (5), (4) en la (3) y despejando se obtiene:

cosLsen

vv o

sc

[6]

Que es la fórmula de Yao (1970) para sedimentadores de placas planas. En el caso de otro tipo de módulos esta expresión se ve afectada por el factor Sc quedando la expresión:

cosLsen

Scvv o

sc

Donde Sc depende del tipo de módulos así:

Para tubería circular Sc = 1.2, rectangular Sc =1.3

En la expresión anterior 0 se obtiene dividiendo el flujo Q que entra al decantador por su área horizontal Ah que hay que proyectar perpendicularmente a las placas. O sea que:

oho

A

Q

senA

Qv

[7]

Dónde: Ah = Área horizontal superficial neta del decantador de placas.

Ao = Área neta perpendicular a las placas = Ah sen

Como las placas tienen un espesor ep (medida perpendicularmente) el área total horizontal A T es igual:

phpo

hT AAsen

AAA

[8]

Donde, Apo = Área perpendicular a las placas ocupada por ellas. El área Ap medida horizontalmente es igual a:

sen

aneA

pp [9]

Si "n " es el número de placas y "a " es el largo de ellas. El número n de placas es igual a:

161

)( p

h

eea

senAn

[10]

Reemplazando (10) en (9) se obtiene el valor del área horizontal ocupada por las placas así:

Tp

hp Aee

eAA

[11]

Dónde:

p

p

ee

e

[12]

y por tanto:

....2

senv

Q

senv

Q

senv

QA

oooT [13]

O sea:

)50(1

1....)1( 2

1

V

senv

Q

senv

QA

oo

[14]

Reemplazando y simplificando:

e

e

senv

QA

p

oT 1

[15]

En esta expresión, si 0 se da en m3/m

2/d, Q debe darse en m

3/d (m

3/s x 86400). Esta es la

fórmula básica para calcular el área total horizontal de un decantador de placas gruesas. Si se usan láminas plásticas delgadas ep puede hacerse igual a cero.

En caso de que se conozca el área AT (caso de decantadores en funcionamiento) la velocidad o puede calcularse así:

anesenA

Qv

pTo

86400* [16]

En donde:

)( p

T

eea

senAn

[17]

7.5.3 CONSIDERACIONES SOBRE EL RÉGIMEN DE FLUJO

Para que las ecuaciones anteriores sean válidas es indispensable que se establezca entre las

162

Flujo

Capa limite

Velocidad

Promedio

XL

d

placas un flujo laminar o sea que se tenga un Número de Reynolds inferior a 280 para partículas floculentas y 600 para partículas discretas. El Número de Reynolds para placas paralelas se puede determinar así de acuerdo con Knudsen y Katz (Knudsen & Katz, 1958):

v

evN o

R

2

Sin embargo, aunque NR sea bajo el flujo laminar no se establece de inmediato al entrar en un tubo, pues solo en la boca las velocidades se distribuyen de manera como lo indica la Fig. 61. A medida que los filetes líquidos avanzan, dichas velocidades se hacen progresivamente más desuniformes debido a que la viscosidad del fluido hace que éste se adhiera a las paredes sólidas. .

Fig. 61. Distribución de flujos Por tanto, el flujo desarrollado sólo se obtiene a una distancia XL medida desde el punto de entrada y se considera como tal, por definición, cuando el perfil de velocidades ya no sufre modificación ulterior El valor XL puede calcularse con la fórmula siguiente (Knudsen & Katz, 1958):

XL = 0.013 NR e

Tales valores han sido determinados en tubos y con fluidos homogéneos. El NR puede calcularse también en función del radio medio hidráulico (lo que da un valor menor) en lugar del espaciamiento entre placas. Los resultados, si bien difieren numéricamente, no alteran las consideraciones hechas sobre el flujo laminar ya que de todas maneras este se produce para las cargas superficiales usadas en la práctica, siempre y cuando el flujo se distribuya uniformemente en todas las celdas.

7.5.4 ECUACIÓN BÁSICA DE CÁLCULO

De acuerdo con lo anterior para el cálculo de las cargas equivalentes en decantadores de placas vamos a partir de las siguientes hipótesis:

1. La velocidad 0 es la media con que avanza la masa de agua. No hay distorsión

163

significativa de los perfiles de velocidad dentro de las placas debido al escurrimiento de los

Iodos, ni deslizamiento de la partícula con respecto al fluido.

2. En la distancia XL de entrada, la sedimentación que se produce es pequeña y debe por

tanto descontarse de la longitud útil.

Partiendo de estas hipótesis la ecuación (18) puede rescribirse así:

cosLsen

vv o

sc

[18]

El valor L es la longitud útil de la placa (descartada la zona inicial. donde no se establece un flujo laminar completo) y se puede calcular así:

e

XLL L

[19]

RNe

LL 013.0 [20]

por tanto:

)cos013.0(

R

o

sc

Ne

lsen

vv [21]

7.5.4.1 Interpretación de la ecuación de velocidad crítica

El valor sc en las expresiones anteriores, representa la velocidad de caída de la partícula crítica, equivalente a la que habría en un sedimentador de flujo horizontal teóricamente de igual eficiencia. Se puede expresar en cmls o en m

3/m

2Id (m/día) lo que comúnmente se llama carga superficial.

Esto significa que si en un decantador convencional la carga superficial es: sc = Q/ As en uno de flujo inclinado, para obtener la misma eficiencia teórica, la relación sería igual a:

A

Q

fA

Qv

osc [22]

En donde:

f =sen + L cos Ao =Área superficial perpendicular a las placas del decantador acelerado A = Área superficial horizontal del decantador convencional. Por tanto, para un caudal Q unitario:

164

A = Ao f

f

AAo [23]

El factor f viene a ser, en consecuencia, un factor de área, que representa el número de veces que hay que achicar la superficie horizontal de un decantador convencional para que tenga la misma eficiencia que uno inclinado. La Tabla 40, representa diversos valores del factor del área f.

Tabla 40. Factor de área profundidad relativa útil l

12 , 16 20

o 12.00 16.00 20.00

15 11.84 15.71 19.58

30 10.89 14.36 17.82

45 9.19 12.02 14.84

60 6.86 8.86 10.86

75 4.07 5.11 6.14

90 1.00 1.00 1.00

Obsérvese en la Tabla 40, que entre menor sea el ángulo y mayor la profundidad relativa útil L, más pequeño y económico se vuelve el decantador inclinado.

Cuando = 00, f = L Y cuando = 90º. f = 1 o sea el decantador inclinado actúa como uno vertical

del tipo corriente.

Sin embargo, no es posible en la práctica colocar las placas horizontalmente ( = 0°) o con muy poco espaciamiento, por la imposibilidad de mantenerlas limpias. Debe por tanto, dárseles a ellas una inclinación que sea lo suficientemente grande como para que los Iodos escurran hacia el fondo por su propio peso, pero no tan pronunciada que disminuya el rendimiento del decantador.

7.5.4.2 Relación ángulo – eficiencia

Al desarrollar matemáticamente la ecuación (18) se puede observar que para la misma carga superficial aparente (por ejemplo 200 m

3/m

2Id) determinada como Q/ Ao en donde Ao es el área

perpendicular neta, las cargas equivalentes aumentan al incrementar el ángulo . Esto quiere decir que aunque se tenga el mismo flujo Q entrando al sistema y el mismo tamaño de tanque, con solo variar la inclinación de las placas se cambia la eficiencia del sedimentador, cosa que se puede comprobar al comparar la curva teórica, con los valores prácticos obtenidos por Culp, Ky-Hsiung y Conley (1969), como se observa en la Fig. 62.

165

Fig. 62. Relación ángulo - eficiencia A partir de un ángulo de 45° la disminución en el porcentaje de turbiedad removida empieza a

acentuarse. Cuando = 60° esta disminución puede alcanzar de 15 a 30 % con respecto a la

calidad producida con un = 45 Y si se llega a =75° la disminución alcanzaría de un 26% aRe un 46%. Como un ángulo de 60°, según se ha observado, es suficiente para estimular la auto limpieza de las placas, no parece necesario exceder este valor. Por otra parte, por debajo de 45° la curva se hace muy plana y poco es lo que se gana al bajar la pendiente. Por tanto la inclinación de las placas debe variar entre 45° y 60° con la tendencia a éste último valor (en especial cuando se trata de agua floculada) por cuanto garantiza un más fácil escurrimiento de los fangos.

7.5.5 COMPONENTES DE UN SEDIMENTADOR LAMINAR

7.5.5.1 Zona de entrada.

La entrada a un sedimentador de placas se debe realizar mediante una estructura que no permita el desplazamiento horizontal del agua por debajo de las placas, ya que esto ocasiona la creación de cortocircuitos y zonas muertas por imposibilidad de controlar la distribución de flujo. Tal cosa puede lograrse utilizando conductos longitudinales provistos de orificios que se localicen por debajo

166

de las placas, tales como una tubería perforada o un canal rectangular con orificios de fondo. El gradiente de velocidad en los orificios debe ser menor que el correspondiente a la última cámara de floculación, preferiblemente menor que 15 s

-1.

Para desarrollar una velocidad ascensional uniforme a lo largo de las placas se hace necesario que la velocidad de salida por los orificios sea aproximadamente la misma, para tal efecto se diseñaran tuberías o canales de sección variable, con una mayor sección al inicio para ir disminuyendo la sección hasta obtener una sección mínima al final.

7.5.5.2 Sistema de salida

La uniformidad con la cual las masas de agua ascienden por entre placas, depende tanto del sistema de salida como del de entrada. Por eso debe ponerse gran cuidado en el proyecto de esta parte del sedimentador de alta tasa.

Se ha observado que cuando se construyen vertederos de salida solamente al final del tanque, al estilo del sistema tradicional, la eficiencia del decantador de placas disminuye considerablemente, debido a que no trabaja toda el área cubierta por ellas sino solo la que se aproxima a los vertederos y el resto actúa como zona muerta.

Para conseguir una extracción uniforme del flujo puede hacerse un canal central recolector y canales laterales o un canal central recolector y tuberías perforadas laterales. Ambos sistemas funcionan correctamente siempre y cuando estén bien diseñados.

Cuando se usan canales laterales, el espaciamiento “x” entre los bordes de ellos debe ser igual como máximo al doble de la altura “y” de la lámina de agua sobre las placas. O sea que x = 2y. Sin embargo, los resultados más confiables se encuentran en x = 1.5y. Debe evitarse el hacer vertederos de borde lisos porque cualquier desigualdad en la nivelación de ellos (aunque sea de pocos milímetros) produce desigualdades apreciables en la cantidad de agua extraída. Por eso cuando se usan vertederos de concreto hay que adosarles a los bordes láminas de acero empernadas con vertedero en V, que trabajen con tirantes de agua entre 5 y 10 cm. u orificios laterales en los flancos de ellas con tirantes similares.

Los tubos perforados en la parte superior (como los que se observan en la Fig. 63) dan excelentes resultados, cuando cada orificio es del mismo diámetro, tiene una carga de agua de 5 a 10 cm. sobre él y descarga libremente dentro del tubo, el cual no puede trabajar a sección llena. Esta última condición es básica para obtener que cada orificio extraiga la misma cantidad de agua. Los orificios, sin embargo, tienden a obstruirse cuando hay un gran crecimiento de algas y deben estarse limpiando.

167

P l a c a s d e

a s b e s t o - c e m e n t o

Tube r ia reco lec to ra

de agua decan tadaCana l co lec to r de

agua decan tada

C a n a l d i s t r i b u i d o r

d e a g u a f l o c u l a d a

O r i f i c i o s

d e e n t r a d a

D r e n a j e d e l o d o s

Fig. 63. Esquema de un decantador nuevo de alta rata con canal distribuidor y tolvas

El diámetro de los tubos se pueden calcular a partir de la conocida formula de Fair (1973) así:

23

375.1 bhQ [24]

Esta expresión se aplica a canaletas rectangulares de sección AC. Haciendo

5.2486.0;2

1bQbh y por lo tanto b = 1.335 Q

0.4

Para tubos de diámetro d, la sección circular Ao = 0.785 AC, de donde: Q = 0.38 d2.5

. si el tirante de agua inicial se lo hace 15% mayor de ½ d

Q = 0.323 d2.5

d = 1.250 Q0.4

La altura del agua al comienzo del tubo es h = 0.62 d y la crítica al final del tubo será hc = 0.38d. Usualmente los diámetros de los tubos resultan de 6” a 10”.

El valor de Q expresado m3/s debe ser el que corresponde a cada tubo considerando que un

decantador esta fuera de servicio.

El nivel máximo de agua en el canal central de recolección del efluente no debe ser mayor que el del centro de los tubos, cuando estos se usan y preferiblemente que la cota de batea, a fin de asegurar la descarga libre de todos ellos. En el caso que se empleen canaletas laterales, su descarga en el canal central también debe ser libre

168

El diámetro “d” de los oficios en tubos de asbesto-cemento se puede obtener, considerando un coeficiente (determinado experimentalmente) de c = 0.9, (no hay casi contracciones laterales) así:

41

21

76.1 h

Qd v [25]

En donde Qv es el caudal por orificio en m3/s y h la carga de agua en m sobre él.

Si se conoce el diámetro, la carga de agua en h sobre los orificios se puede hallar así:

4

2

79.9 d

Qh v [26]

Obsérvese que la carga de agua varía en función de la cuarta potencia de los diámetros, lo que explica porque el más pequeño cambio en ellos varia notablemente el nivel en el decantador.

7.5.5.3 Zona de lodos

En un decantador de placas existen dos zonas de lodos: la que se forma dentro de las placas mismas y la que hay en el fondo del tanque que las alberga. Las características de estas dos zonas son muy diferentes. La primera se sitúa contra la cara interna de la placa inferior y tiene un espesor

el cual varía con la inclinación con la inclinación y el peso específico de los sólidos. Entre más

grande sea la velocidad de caída de las partículas es mayor y por tanto el espesor es menor.

Si la pendiente es adecuadamente grande ( = 55º a 60º) los fangos no se adhieren a la placa, sino que fluyen libremente hacia abajo formando un manto de lodos similares al que se produce en un decantador de flujo ascendente, con la diferencia de que su concentración es variable, máxima contra la placa inferior y mínima un poco más arriba. Es la forma del perfil de velocidades el que induce este fenómeno.

Como la velocidad del flujo adjunto a las placas es cero, las partículas que caen sobre ellas, no sufren ninguna fuerza que las empuje hacia adelante sino que pueden rodar libremente en sentido contrario al flujo, impulsadas por su peso propio.

Las partículas que están un poco más arriba si sufren un empuje hacia adelante, pero debido a la forma del perfil de velocidades este es muy pequeño en comparación con la velocidad de arrastre, lo que se puede calcular utilizando la fórmula de Camp, adaptada al caso de un fondo inclinado con un ángulo, así:

dSsCosva )1(125 [27]

En donde Ss es el peso específico de la partícula y d el diámetro de la misma.

169

Con base en esta expresión se puede hallar que para Ø =60 o

y flóculos entre 0.2 cm y 0.01 cm de diámetro (peso específico 1.01)las velocidades de arrastre varían entre 2.8 cm/s a 0.625 cm/s.

Como la velocidad de los filetes líquidos dentro de las placas rara vez sobrepasa los 0.3 cm/s es de esperarse que el arrastre sea mínimo, con la ventaja de que a medida que la partícula se acerca a la cara de la lámina plana dicha velocidad debe decrecer hasta llegar a cero, lo que estimula la decantación de los fangos y su ulterior remoción.

La zona de recolección de lodos fuera del conjunto de placas es de carácter muy distinto al anterior y se parece más a los decantadores convencionales.

7.5.6 PARÁMETROS DE DISEÑO

Tiempo de detención: La unidad debe diseñarse de manera que el tiempo de detención esté entre 10 min y 15 min.

Profundidad. La profundidad del tanque debe estar entre 4 m y 5.5 m.

Carga superficial: La carga superficial de la unidad debe estar entre 120 y 185 m3/(m

2*día)

para placas angostas y de 200 a 300 m3/(m

2*día) para placas profundas. Para

velocidades mayores deberá hacerse ensayos en planta piloto.

Sistema de salida: Debe cubrir la totalidad del área de sedimentación acelerada y debe constar de tuberías perforadas o canaletas que trabajen con un tirante de agua no inferior a 8 cm.

Número de Reynolds: El número de Reynolds (Re) debe ser menor a 500, se recomienda un Reynolds menor a 250.

Para sedimentadores con placas debe tenerse en cuenta además lo siguiente:

a. La inclinación de las placas debe ser de 55° a 60°. b. El espacio entre las placas debe ser de 5 cm. c. En caso de emplear placas de asbesto - cemento el espesor de la placa debe ser

de 8 mm a 10 mm. d. Con placas profundas para cada fila de placas debe dejarse un ducto de ingreso

del agua por el fondo a una altura aproximada de 15 a 30% de la longitud de la placa y en la parte superior se colocará el sistema de recolección por medio de vertederos u orificios. Cada placa debe tener su elemento hidráulico de extracción del flujo

Número de unidades. Para los todos los niveles de complejidad la planta de tratamiento debe tener como mínimo dos unidades.

Extracción de lodos: Puede hacerse con múltiples perforados colocados en superficies inclinadas con un ángulo no menor de 45° o con sistemas patentados. La extracción debe ser continua.

En la Tabla 41 , se presenta la síntesis de los parámetros de diseño:

170

v

CosVsce

CosLSenVscVo

***013.01

)*(

Tabla 41. Criterios de diseño para sedimentadores laminares

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008)

7.5.7 EJEMPLO

Diseñar un decantador de alta tasa compuesto por dos unidades, cuya celda de sedimentación está constituida por placas planas de asbesto cemento de 2.40 m x 1.20 m x 0.008 m inclinada 60º con respecto a la horizontal y separadas entre si 0.05 m. El caudal a tratar es 150 l/s y la temperatura mínima es 15ºC (visc cin = 0.0115 cm2/s). La velocidad de sedimentación critica de diseño es de 100 m

3 / m

2.d.

1. Velocidad a través de las placas, vo.;

Cos

v

evLSen

V

CosNLSen

VVsc o

R

o

)2

(013.0013.0 0

Despejando vo y resolviendo NR de la ecuación tenemos que: Como:

171

2405.0

20.11

m

m

eL

scm

Coscmcmscm

CosSenscmVo

/0115.0

º60*5*013.0*/12.01

)º60*24º60(/12.0

2

scmVo /12.1

scm

cmxscmNR

/0115,0

5/12.12

.min.5009.487 arlaflujoExisteNR

eVa

QN

o ..

5605.0/12.140.2

/100/075.0 3

mxscmxm

mcmxsmN

º60

008.05605.056º6020.1*

Sen

mxmxCosxmL

mL 3.4*

𝑉𝑠𝑐 = 100𝑚3

𝑚2 ∗ 𝑑= 0.12 𝑐𝑚/𝑠

y;

2. Numero de Reynolds. Se debe cumplir que Ro < 500 :

3. Número de placas. Para la disposición de las placas mostradas en la Fig. 64, el número de

canales es igual al número de placas, esto es:

N = Número de placas = Número de canales [28] Dónde: a = longitud de la placa en el sentido normal al flujo

4. Longitud ocupada por las placas ver Fig. 64

Sen

espesorxNexNCosxlL

*

Donde l = longitud de la placa en el sentido del flujo

5. Canal de entrada. Se utiliza un canal sumergido con orificios en el fondo a través de los

cuales el gradiente debe ser menor o igual a 15 s -1

172

5.167.0 .* VRnG

5.167.0

´..)1()´(2

´.*

bax

Q

ba

banG

OKssG ......159.13 11

5.167.0

05.0*5.0*)130(

/3075.0

)05.05.0(2

05.0*5.0*

2/00152.0

3/9810013.0*

mm

smmm

mN

mNG

mc 1.0

30

05.0293.4 mxmc

mcxmx 5.43005.029

Suponiendo la distribución de losetas que se muestra en la Fig. 64 X= Número de losetas X – 1 Número de orificios Donde n = coeficiente de rugosidad de maning

= Peso específico N/m3

= viscosidad dinámica N/m2

Haciendo: X= número de losetas = 30 Números de orificios = 30 - 1 a´= largo loseta = 0.50 m b = separación loseta = 0.05 m Se encuentra el valor de G Ancho de la loseta c: Se emplearán 30 losetas de 0.50 m x 0.1 m separadas entre si 0.05 m.

173

3/2.73

b

qhm

6. Tolva de lodos. El volumen total de la tolva de lodos debe tener una capacidad de

almacenamiento del orden del 50% del volumen total del decantador, sin embargo el

volumen real de dicha estructura se determina con base en la geometría de la tolva, la cual

a su vez está determinada por la geometría del canal triangular de evacuación de lodos.

Con base en lo anterior, y considerando la Fig. 64, se determina el volumen real de dicha estructura. Volumen del sedimentador:

𝑉𝑠 = 𝑎 ∗ 𝐿 ∗ ℎ𝑝 = 2.4𝑚 ∗ 4.5𝑚 ∗ 1.04𝑚 = 10.8 𝑚3 Volumen de la tolva, Vt:

34.55.4*

2

*)70.020.3(*

2

*)(m

hmmL

hbmBmVt

ℎ = 0.6 𝑚

34.5 mVt

7. Canaletas de recolección de agua decantada

Utilizando ocho canaletas a lo ancho de toda la celda de sedimentación se tiene:

Caudal por canaleta: mslsl

q */38.98

/75

Caudal por metro de vertedero:

sLmx

msl

m

q/95.1

40.22

*/4.9 OK (se recomiendan valores de 1.67 – 3.3 L/s, para que no

produzca arrastre del floc ) Suponiendo b = 25 cm

cmcmx

hm 908.925

4.9733/2

OK h> 0.08m

174

Borde libre = 10 cm Dimensiones de la canaleta: Ancho = 0.25 m Altura = Hm+ 0.1= 9 + 10 = 19 cm

Fig. 64. Sedimentador de placas inclinadas, losetas

Tabla 42. Propiedades del agua. Unidades SI.

Comentario [LSg3]: ojo hacer el dibujo en planta y corte con las dimensiones del ejercicio

176

8 FILTRACIÓN

La filtración es un proceso físico, químico y (en algunos casos) biológico para separar del agua las impurezas suspendidas mediante el paso a través de un medio poroso (Schulz & Okun, 1998). Estudios reportan que es un proceso empleado rudimentariamente, hace aproximadamente 7000 años, los primeros filtros tuvieron un carácter doméstico. Se usaron por mucho tiempo los filtros de piedras porosas colocadas en tinajeros. En Francia se difundieron mucho en los siglos XVIII Y XIX los filtros de esponja, paño, lana y otros materiales. Cuando se hicieron los primeros filtros no domésticos el agua filtrada no se distribuía por tuberías, sino que se vendía por galones al consumidor. Así surgieron las primeras compañías de agua que fueron de carácter privado. A partir de 1856, en Francia, aparecieron los filtros a presión: “Fonvielle” y “Souchon”. Los primeros estaban constituidos por un cono truncado de hierro fundido con tapa semiesférica, en el cual había 0.7 m de lecho filtrante compuesto de 0.25m de esponjas marinas, 0.25 m de piedra caliza, se lavaban extrayendo el material filtrante. Los segundos estaban constituidos por tres lechos de paño de 0.2 m de espesor. El objeto de estos filtros era colocar los sedimentos del agua El proceso evolucionó hasta sistemas de filtración lenta en arena desarrollado en 1804, y se popularizó el uso de la escuela de la filtración descendente, a fines de este siglo muchas ciudades del viejo y nuevo mundo ya habían construido plantas de filtración. El desarrollo tecnológico continúa hasta la construcción de los filtros rápidos en arena, que aparecieron en Norteamérica, en 1855. la gran innovación fue en la limpieza del lecho filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo, se hacia invirtiendo el sentido del flujo, que en modo filtración era de arriba hacia abajo y en modo lavado de abajo hacia arriba, con lo cual se eliminaban las impurezas que habían quedado retenidas en el lecho. Esto facilitaba la operación casi continua del filtro y permitía uso de cargas superficiales considerablemente mayores (aproximadamente 30 veces más) que la de los filtros lentos. En los últimos años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente, logrando mayores eficiencias con base en un mejoramiento del medio filtrante, y una optimización de los procesos de operación, en especial en el medio filtrante donde la tecnología de membrana de micro, ultra y nano filtración, se convierten en un gran desarrollo tecnológico para tratamiento de agua (SALAZAR GAMEZ, 2005) . Sin embargo los principios fundamentales de la teoría de la filtración se siguen aplicando, incluso en los procesos modernos. La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad coincidente con los estándares de potabilidad. La Fig. 65, presenta el sistema de filtración de la planta de tratamiento “Rio Cali” de EMCALI, esta compuesta por una serie de filtros rápidos, de medio de soporte mixto y de flujo ascendente.

http://www.lenntech.es/procesos/desinfeccion/historia/historia-tratamiento-agua-potable.htm

http://www.lenntech.es/procesos/desinfeccion/historia/historia-tratamiento-agua-potable.htm

http://www.emcali.com.co/web/water_service/nuestro-acueducto/tecnologia-e-infraestructura

http://www.emcali.com.co/web/water_service/nuestro-acueducto/tecnologia-e-infraestructura

177

Fig. 65. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI. Fuente: Elaboración propia.

Fig. 66. Vista parcial da bateria de filtros da ETA Gravatá. Con acceso en: www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam08_rap.htm

8.1 TIPOS DE UNIDADES DE FILTRACIÓN

178

La filtración puede efectuarse de muchas formas: Con baja carga superficial (filtros lentos), con alta carga superficial (filtros rápidos), en medios porosos (pastas arcillosa, papel filtro), o en medios granulares (arena, antracita, granate o combinados, con flujo ascendente de abajo hacia arr iba o descenderte de arriba hacia abajo y mixto (parte ascendente y parte descendente). Por último el filtro puede trabajar a presión o por gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante. La Tabla 43, presenta la clasificación de los filtros según la velocidad de filtración, medio filtrante, sentido del flujo y carga sobre el lecho (Arboleda Valencia, 2000). La filtración se identifica por la velocidad de pasaje del agua a través del manto filtrante o del manto poroso, medida como carga superficial CS, o sea el cociente entre el caudal, Q, y el área filtrante Af:

fA

QCS

En donde Af = Área superficial Q = Caudal que entra al filtro CS = Carga superficial

Tabla 43 .Clasificación de los filtros

Según la velocidad de filtración

Según el medio filtrante usado

Según el sentido del

flujo

Según la carga sobre el lecho

Rápidos: 120 – 360 m

3/m

2/día

1. Arena ( h =60-75 cm) 2. Antracita ( h =60-75 cm) 3. Mixtos: Arena ( h =20-35 cm) Antracita( h =35-50 cm)

Ascendentes Descendentes Flujo mixto

Por gravedad Por presión

Lentos: 7-14 m

3/m

2/día

Arena ( h =60-100 cm)

Descendentes Ascendentes Horizontal

Por gravedad


8.1.1 FILTRACIÓN POR GRAVEDAD

La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente se emplea en las plantas de tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor económico es la variable que define su preferencia de uso. Estas unidades pueden ser de flujo ascendente (“filtro ruso”) y ser operadas con tasa de filtración constante o declinante. Cuando es de flujo descendente, la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o constante en filtros de lecho único de arena o de lechos múltiples.

8.1.2 FILTRACIÓN ASCENDENTE

179

La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua afluente escurre en el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la remoción de partículas suspendidas. Aunque en la filtración ascendente de agua decantada las carreras de filtración resultan más largas si se las compara con la filtración descendente en lecho de arena, la carga hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros y el mayor espesor de la capa han limitado mucho el uso de la filtración ascendente. La aplicación más ventajosa de este tipo de unidades es la filtración directa, en la que los productos químicos se aplican y dispersan en el agua cruda antes de la filtración. En seguida, el agua es conducida a los filtros por la parte inferior. Este tipo de unidades están siendo muy utilizadas en algunos países de Europa, de América del Sur y de Centroamérica. Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes:

a) Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m

2/día.

b) Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los más

comunes.

c) Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten tuberías

individuales o tuberías individuales provistas de medidores y reguladores de caudal.

La Fig. 67, presenta en forma esquemática, el diseño de un filtro de flujo ascendente de tasa constante con fondo de placas perforadas.

180

Fig. 67. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante Fuente: (Maldonado Yactayo, 2004)

8.1.3 FILTRACIÓN DESCENDENTE

Hasta hace pocos años, los filtros descendentes por gravedad eran diseñados para funcionar únicamente con tasa constante, y generalmente iban provistos de dispositivos automáticos de control de caudal y nivel. En los últimos años se han desarrollado tecnologías que han simplificado sensiblemente la forma de operación de los filtros de gravedad, como la operación mediante tasa declinante.

Este tipo de unidades es el que normalmente se prefiere diseñar en los sistemas de abastecimiento públicos. Su mayor simplicidad garantiza una adecuada operación. No obstante que no tienen las ventajas de la filtración ascendente, son más confiables considerando la dificultad de encontrar en las plantas de tratamiento personal con una adecuada cultura de operación.

181

Fig. 68. Filtro descendente

Fuente: Carlos Fernández de Medeiros Filho. Universidade Federal de Campina Grande. Con acceso en: http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam08_rap.htm

8.1.4 FILTRACIÓN ASCENDENTE-DESCENDENTE

La idea de realizar la filtración ascendente y descendente surgió después de constatar la posibilidad de fluidificación del medio filtrante al momento de la filtración ascendente y del consecuente perjuicio de la calidad del agua filtrada. Surgieron los filtros denominados Bi-Flow, donde parte del agua cruda coagulada es introducida en la parte superior, y la restante en la parte inferior del filtro. La colección se hace por medio de tuberías provistas de bocas e instaladas en el interior del medio filtrante. La Fig. 69 presenta, en forma esquemática, este tipo de instalación. A pesar de evitar los inconvenientes de posibles problemas derivados de la fluidificación del medio filtrante, este tipo de instalación presenta el inconveniente de que la colección del agua se hace en el interior del medio filtrante, donde las bocas se pueden obstruir con el tiempo, por lo que requieren un mantenimiento rutinario.

182

Fig. 69. Esquema filtro Bi Flow Para controlar esta situación, aparecieron los superfiltros, los cuales realizan la filtración ascendente y descendente. Se realiza, en primer lugar, la filtración de flujo ascendente y, en seguida, la de flujo descendente. La Fig. 70, presenta un esquema en planta y en corte de una instalación típica de superfiltración.

Fig. 70. Esquema típico de una instalación de superfiltración Fuente: (Maldonado Yactayo, 2004).

183

8.2 MECANISMOS DE FILTRACIÓN

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

8.2.1 MECANISMOS DE TRANSPORTE

Los distintos mecanismos que pueden realizar transporte de las partículas dentro de los poros del medio filtrante están esquematizados en la Fig. 71.En ella se ve cómo simultáneamente pueden actuar varias causas para aproximar el material suspendido hasta los granos del medio filtrante. Es interesante destacar que estas causas varían si la filtración se produce en las capas superficiales o en la profundidad del medio filtrante. .

184

Fig. 71. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

En el primer caso, la acción física de cernido es el factor dominante, mientras que en el segundo caso es el de menor importancia

8.2.1.1 Cernido

Resulta evidente que cuando la partícula es de tamaño mayor que los poros del lecho filtrante, puede quedar atrapada en los intersticios. El cernido, en general, actúa solo en las capas más superficiales del lecho y con partículas relativamente fuertes, capaces de resistir los esfuerzos cortantes producidos por el flujo, cuya velocidad aumenta en las constricciones.

8.2.1.2 Sedimentación

La remoción de las partículas menores que los tamaños de los poros puede ser debido al efecto de la gravedad, que hace que se sedimenten sobre la superficie de los granos.

8.2.1.3 Intercepción

185

Cuando la velocidad de escurrimiento es baja y las partículas suspendidas tienen densidades aproximadamente iguales a la del agua, estas viajan a lo largo de líneas de flujo. Inicialmente el floc, comienza a pegarse a la cara superior de los granos hasta llegar a cubrirlos completamente, formando una película que va creciendo con el tiempo, disminuyendo el tamaño de las constricciones por lo que aumentan el esfuerzo cortante, lo cual hace aparecer segmentos que cuelgan de los granos hasta que eventualmente se rompen para ser retenidos por granos más profundos que se encuentran menos recubiertos. Este proceso de arrastre de la película se hace cada vez mayor, con lo que la colmatación del medio filtrante progresa en profundidad.

8.2.1.4 Difusión

Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas a difundirse desde zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Si se tiene en cuenta que la mayor parte de las partículas que entran en un filtro tienen un tamaño menor que 10 u (15), la difusión se constituye en una causa importante de la remoción de arcilla, más que todo en zonas donde la velocidad de flujo es prácticamente cero. La eficiencia del filtro debida a la difusión es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al diámetro de la partícula del grano.

8.2.1.5 Impacto inercial

Durante el escurrimiento, las líneas de flujo se curvan en la proximidad de los granos del medio filtrante; si la velocidad es alta y las partículas suspendidas relativamente grandes, la inercia que poseen hace que estas puedan seguir trayectorias diferentes a las líneas de flujo, continuando con su recorrido original lo cual hace que choquen con los granos del lecho para quedar adheridas a ellos, tal como puede observarse en la Fig. 72.

Fig. 72. Mecanismo de impacto inercial Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

8.2.1.6 Acción hidrodinámica

La remoción de partículas flocúlenlas de tamaño relativamente grande (~ 10 µm) es atribuida a la acción hidrodinámica, según se muestra en la Fig. 73. La comprensión de este mecanismo se facilita cuando se considera un escurrimiento en el que el gradiente de velocidad es constante.

http://es.wikipedia.org/wiki/Floculaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Floculaci%C3%B3n

186

Fig. 73. Mecanismo de acción hidrodinámica

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000) Una partícula suspendida en un fluido que escurre en estas condiciones estará sometida, como muestra la Fig. 74, a velocidades tangenciales variables en dirección perpendicular a la del escurrimiento. La diferencia entre Va y Vb tiende a hacer que la partícula gire y produzca una diferencia de presión en dirección perpendicular al escurrimiento, lo que hará que la partícula sea conducida a una región de velocidad más baja. A pesar de no tener exactamente las condiciones descritas anteriormente, en la práctica de la filtración, el fenómeno es análogo y es válido para explicar la remoción de partículas de un tamaño del orden de 10 µm.

Fig. 74. Acción de la tensión de cizallamiento.

8.2.2 MECANISMOS DE ADHERENCIA

La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada, principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los granos como a partículas previamente retenidas. La adherencia es atribuida más que ha mecanismos puramente físicos, a una serie de factores químicos y electroquímicos, siendo los más importantes las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas electrocinéticas y el puente químico. Se ha sugerido, inclusive, que la filtración no es más que un caso especial de la floculación, donde algunas partículas son fijas (aquellas adheridas inicialmente a los granos) y otras suspendidas.

187

8.2.2.1 Fuerzas de Van der Waals.

Las fuerzas de Van der Waals son altamente responsables de la adhesión de partículas a los granos de filtro. Dentro de una pequeñísima distancia desde la superficie de los granos, las fuerzas de adhesión son operativas, existiendo un volumen alrededor de cada grano que se llama espacio de adhesión. Las partículas suspendidas que entran en él pueden ser removidas del flujo, a medida que sean atraídas para adherirse a la superficie de los granos.

8.2.2.2 Fuerzas electrostáticas.

Las fuerzas electrostáticas combinadas con las de Van der Waals son las que determinan la adsorción entre partículas. Teniendo en cuenta la carga eléctrica de los granos y las partículas se pueden presentar tres situaciones: - Los granos son negativos y las partículas positivas. En este caso existe una fuerza atractiva

entre el medio filtrante y las partículas, lo que hace que la sola aproximación pueda producción atracción y adhesión.

- Los granos son negativos y las partículas neutras. En este caso la barrera de energía ha

desaparecido y todo contacto puede producir adhesión. - Los granos son negativos y las partículas también. En este caso existe repulsión. No obstante,

las fuerzas hidrodinámicas pueden vencer la barrera de energía y aproximar suficientemente las partículas a los granos para que sean efectivas las fuerzas de Van der Waals, aunque la probabilidad de adhesión en esta situación es menor que en las anteriores.

8.2.2.3 Puente químico.

Las cadenas poliméricas adheridas a la superficie de las partículas dejan sus segmentos activos extendidos en el agua. Dichos segmentos pueden ser absorbidos por otras partículas o por sitios vacantes en la superficie de los granos. Este fenómeno es independiente de las fuerzas de Van der Waals y de las cargas electrostáticas. Este fenómeno se acrecienta al atravesar las partículas las constricciones del lecho. El uso de ayudantes de filtración o polielectrolitos inyectados en el afluente al filtro puede, por eso, ser de gran utilidad para aumentar la adhesión de la materia suspendida al medio filtrante. La Fig. 75, esquematiza el fenómeno del puente químico.

Fig. 75. Esquema del puente químico Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

http://www.slideshare.net/tango67/enlaces-qumicos-1475404

188

8.3 COMPONENTES DE UN FILTRO.

La finalidad de los filtros en una planta de tratamiento de filtración rápida es la separación de las partículas y los microorganismos que no han sido removidos en el proceso de sedimentación. Se hace referencia en esta lección a los filtros rápidos descendentes, de medio doble de arena y antracita y de tasa declinante. En el diseño de la unidad deben considerarse los siguientes componentes:

a) Sistema de entrada de agua

b) Medio filtrante

c) Caja del filtro

d) Sistema de drenaje

e) Sistema efluente

f) Sistema de lavado del filtro

La Fig. 76, muestra el esquema de un filtro rápido, el cual está compuesto por un lecho filtrante que constituye la parte activa del proceso de filtración, una grava de soporte que retiene el lecho y un falso fondo que recoge el agua filtrada y distribuye uniformemente el agua de lavado; adicionalmente existe una estructura de distribución e ingreso del agua, en este caso un canal común a todos los filtros que tiene orificios sumergidos para la alimentación de cada unidad, una o varias canaletas de lavado que recolectan el agua ascendente mediante la cual se limpia el lecho filtrante, un canal de agua de lavado por medio del cual se evacua el agua proveniente del lavado y un vertedero de salida que fija el nivel mínimo de agua en el filtro y crea la cabeza necesaria para efectuar el lavado de una unidad con el agua de las otras a través del canal de interconexión.

189

Fig. 76. Componentes de un filtro

8.3.1 MEDIO FILTRANTE.

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

CANAL DE INTERCONEXION

DE FILTROS

VERTEDERO DE

SALIDA

TANQUE

AGUA PARA

LAVADO

DRENAJE

CANALETA DE LAVADO

ENTRADA

SUMERGIDA

SISTEMA DE DRENAJE

CANAL DE DISTRIBUCION

GRAVA DE SOPORTE

N. MAXIMO

N. MINIMO

AGUA DECANTADA

DECANTADOR

SALIDA DE AGUA

DE LAVADO

CANAL DE AGUA

DE LAVADO

190

lechos dobles, se coloca una capa de antracita en la parte superior, encima de la arena y debido a su mayor tamaño efectivo y a su mayor tamaño de espacios interparticulares, la antracita permite que el floc penetre más profundamente dentro del lecho haciendo que el filtro no se cólmate solamente en las capas superiores; el material suspendido que logre atravesar la antracita, es retenido en la arena aumentándose de esta forma la capacidad de almacenamiento de flóculos ya que los sólidos removidos son distribuidos más uniformemente entre las capas más profundas del lecho; la antracita que es de menor densidad tiende a permanecer sobre la capa de arena después del lavado en sentido ascendente. La disposición de las capas de antracita y arena con granulometrías diferentes permite conseguir en forma parcial que los vacíos interparticulares del lecho disminuyan en el sentido del flujo del agua. en la Fig. 77, podemos observar un filtro vacío, en donde se observa que está compuesta en su parte superior de antracita, y en su parte inferior de arena.

Fig. 77. Lecho filtrante mixto Fuente. PTAP la Unión – Nariño (2010). Elaboración propia

8.3.1.1 Composición de los lechos filtrantes

El filtro puede ser de un solo medio (arena o antracita), de medio dual (arena y antracita) o lechos mezclados. Puede ser de profundidad convencional de 0.6 m a 0.9 m o de capa profunda de más de 0.9 m de altura (RAS 2000). Las partículas deben ser duras, resistentes, de forma preferiblemente redondeada sin esquistos ni partículas extrañas, libre de lodo, arcilla o materias orgánicas. Una síntesis de las características de los medios filtrantes nos la presentan (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2003), en su libro Wastewater Engineering, ver Tabla 44.

Lecho filtrante

191

Tabla 44. Características de los medios filtrantes.

Characteristic Value

Unit Range Typical

Shallow-bed (stratified)

Anthracite

Depth mm 300-500 400

Effective size mm 0.8-1.5 1.3

Uniformity coefficient unitless 1.3-1.8 <=1.5

Filtration rate L/m2*min 80-240 120

Sand

Depth mm 300-360 330




Conventional (stratified)

Anthracite

Depth mm 600-900 750




Sand

Depth mm 500-750 600




Deep-bed (unstratified)

Anthracite

Depth mm 900-2100 1500

Effective size mm 2-4.0 2.7

Uniformity coefficient unitless 1.3-1.8 >=1.5


Sand

Depth mm 900-1800 1200

Effective size mm 2-3.0 2.5



Fuzzy filter

Depth mm 600-1080 800

Effective size mm 25-30 28

Uniformity coefficient unitless 1.1-1.2 1.1

192


Characteristic Value

b

Unit Range Typical

Dual-medium

Anthracite (ρ=1.60)

Depth mm 360-900 720



Sand (ρ=2.65)

Depth mm 180-360 360




Multimedium

Anthracite (top layer of quad- media filter, ρ=1.60)

Depth mm 240-600 480



Anthracite (second layer of quad- media filter, ρ=1.60)

Depth mm 120-480 240


Uniformity coefficient unitless 1.5-1.8 1.5

Anthracite (top layer of tri-media filter, ρ=1.60)

Depth mm 240-600 480



Sand (ρ=2.65)

Depth mm 240-480 300



Garnet (ρ=4.2)

Depth m 50-150 100




a Adapted from Tchobanoglous (1988)

b Anthracite, sand, and garnet sizes selected to limit the degree of intermixing. Use Eq. (11-34) for other values of density ρ

193

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

8.3.2 GRAVA DE SOPORTE.

La grava de soporte se coloca sobre el sistema de drenaje cuando éste lo requiere y tiene un doble propósito: - Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante La filtración; y - Hacer que se distribuya el agua de lavado, evitando la formación de chorros.

8.3.3 SISTEMA DE DRENAJE.

La función del sistema de drenaje que se coloca en el fondo del filtro es doble: - Recolectar y extraer uniformemente el agua filtrada - Distribuir el agua de lavado con presión uniforme. Los sistemas de drenaje pueden clasificarse en tres tipos: tuberías perforadas, falsos fondos y placas porosas. Cada tipo de drenaje tiene especificaciones, tamaños y formas diferentes que dependen de las casas matrices, 'en caso de que sean estructuras patentadas, o de los planos de construcción que originan un proceso de cálculo, cuando éstas son dimensionadas por el proyectista. Se presentan en las Fig. 78, Fig. 79,Fig. 80, Fig. 81, algunos de los principales tipos de drenajes.

Fig. 78. Falso fondo con viguetas prefabricadas

FALSO FONDO

ApoyoApoyo

OrificiosELEMENTO PREFABRICADO

MorteroRefuerzo

Gráva de soporteNiples de

PVC

194

Fig. 79. Tuberías perforadas para trabajo con grava

Fig. 80. Fondo Leopold

Fig. 81. Bloque plástico para lavado con aire y agua

Ø6.4mm

Ø19mm

Ø5.6mm

Ø3.2mm

300mm

300mm

1000mm

195

La Tabla 45, se especifican los tipos de drenes aceptados en el RAS 2000.

Tabla 45 Sistemas de drenaje

Tipo Consiste en Se usa con

Tubería perforada

Tubo principal y laterales perforados, se emplea con grava, bloques difusores o boquillas insertadas

Lavado con solo agua, con o sin lavado superficial para alta o baja velocidad descendente

Bloques perforados de arcilla

Lavado con solo agua, con o sin lavado superficial para alta velocidad ascendente

Bloques o canaletas perforadas en acero o plástico para uso con o sin grava

Lavado con aire primero y agua después o con aire y agua simultáneamente, con alta o baja tasa de lavado.

Falsos fondos

Boquillas de cola corta Lavado con solo agua y alta velocidad ascendente con o sin lavado superficial

Boquillas de cola larga Lavado con aire y agua simultáneamente para baja velocidad ascendente

Prefabricados de concreto para uso con grava

Lavado mutuo con agua de un filtro con el flujo de los otros, para velocidad ascendente. Para el lavado mutuo pueden utilizarse los otros sistemas adecuándolos debidamente

Placas porosas

Placas flexibles para reemplazo de grava

Lavado con aire y agua o agua sola según el dren y alta velocidad ascendente


196

8.4 PARÁMETROS DE DISEÑO

8.4.1 TASA DE FILTRACIÓN.

La tasa de filtración debe ser cuidadosamente escogida teniendo en cuenta las características del lecho filtrante, las condiciones de operación de la planta y la calidad del agua que se desea producir. No obstante la existencia de recomendaciones de tipo general, se considera que la forma más racional de determinar la tasa de filtración es mediante la experimentación en plantas piloto que trabajen en condiciones similares a las que se requiere que prevalezcan en el proyecto. Sin embargo investigaciones reportan rangos en que pueden estar las tasas de filtración, la Tabla 44 y la Tabla 46, presenta algunos valores de tasas de filtración recomendados (filtration rate).

8.4.2 NÚMERO DE FILTROS.

El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una y de la tasa de filtración, para un determinado caudal de diseño de la planta. Lo más económico seria hacer una sola unidad, pues el número de tabiques, válvulas, etc. seria mínimo. Sin embargo, por razones de operación deben existir varias unidades, de forma que el caudal que filtra una unidad cualquiera pueda ser distribuido entre las demás, en caso de reparación, mantenimiento o limpieza, sin que se llegue a sobrepasar el valor de la máxima tasa de filtración permisible. Por otra parte, considerando la operación de lavado, es preferible tener varias unidades de filtración ya que esto reduce el caudal de agua necesario para producir una determinada expansión del lecho, así, en el caso de utilizarse el sistema de filtros auto lavantes, se requieren por lo menos cuatro unidades para que las tres unidades que permanecen en operación sean capaces de abastecer el caudal de lavado de aquella que está en mantenimiento. Cuando el lavado de los filtros se hace con fuente externa (tanque de lavado), el número mínimo de unidades deben ser tres; y para lavado mutuo el número mínimo de unidades debe ser cuatro. Existen varias fórmulas para calcular el número de filtros, tal como la propuesta por Morril y Wallace :

QN 044.0

Donde:

N = Número de filtros Q = Caudal total de filtración [m

3/d]

8.4.3 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS FILTROS.

Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta son establecidas teniendo en cuenta que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de

197

la planta tratando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra máxima economía de la estructura. El largo y el ancho del área superficial pueden definirse utilizando las siguientes relaciones :

N

N

L

B

2

1

31 B

L

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

q

QAT

Dónde: AT = Arrea total de filtración [m

2)

Q = Caudal de la planta [m3/d]

q = Velocidad de filtración media [m3/m

2.d]

Una vez hallada el área total de filtración y definido el número de unidades se puede encontrar el área superficial de cada filtro. Profundidad de las unidades:

La profundidad de las unidades está determinada por la altura de la estructura de drenaje, el espesor de la grava de soporte y del lecho filtrante, el nivel máximo de la altura del agua dentro del filtro y el borde libre. Por lo general la altura total de un filtro autolavante está comprendida entre 4,0 y 4,5 m. Altura del agua sobre el lecho. La altura del agua sobre el lecho puede ser variable o constante, según el tipo de control que se use pero no puede ser inferior a 0.5 m. El lecho filtrante en ningún momento debe trabajar seco. Perdida de carga. La hidráulica del filtro debe diseñarse para que como mínimo pueda disponer de 2 m de pérdida de carga durante la carrera de filtración. La sumatoria de los descensos de nivel en un filtro de tasa variable declinante durante la carrera debe ser por lo menos igual a 2.0 m. Hidráulica de la filtración. Durante el proceso de filtración se presentan en el lecho dos tipos de pérdida de carga: una pérdida de carga inicial y una pérdida de carga acumulada debida a su colmatación. La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada.

198

La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada. Algunos valores de pérdida de carga se observan en la Tabla 46.

Tabla 46. Criterios generales de diseño filtros

PARÁMETRO VALOR

CRITERIOS GENERALES

CARGA SUPERFICIAL tasa de filtración (CS) m3/m

2*d

120 - 360

Velocidad óptima de lavado 0.8 – 1.2 m/min 13 – 20 mm/s

Tiempo de lavado T1

5 – 15 min

PARA FILTROS LENTOS EN ARENA:

Tasa de filtración 2 - 12 2.4 – 7.2 m/d (RAS 200)

Duración de la carrera 20 – 60d

Profundidad del medio

0.6 – 1m 0.8 – 1 m(RAS 200)

Profundidad de la grava 0.3 m

Perdida de carga

< 1.2 m < 1 m (RAS 2000)

CRITERIOS PARA FILTROS RÁPIDOS

Tasa de filtración 120 - 480 m/d (RAS 200)

Duración de la carrera 12 – 36 h

Profundidad del medio

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

Profundidad de la grava 0.3 -0.45 m

Perdida de carga

2.4 – 3m >2.0 m (RAS 2000)

Porcentaje de agua de lavado 2 – 6%

Separación entre canaletas 1.5 – 2.1 m

Fuente (Villegas de Brigard, 2008) La Fig. 82, muestra el esquema del filtro rápido de tasa declinante autolavante.

199

Fig. 82. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento sustancial

aguas arriba de los filtros Fuente: Elaboración propia

8.5 EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS

Diseñar el sistema de filtración necesario para la Población de San Pedro. La filtración rápida para

el agua proveniente del sedimentador se hará a una tasa normal de 235 m3/m2*d. El lavado

ascensional debe hacerse a una tasa de 1.4 cm/s durante 15 minutos después de una carrera de

filtración de 30 h. Determinar:

• Número mínimo de filtros

• Dimensiones de un filtro

• Características del medio filtrante

200

• Número y dimensiones de las canaletas de lavado de un filtro

• Porcentaje de agua requerida para el lavado.

• Altura del filtro y esquema

DESARROLLO

1. Determinación del número de filtros

N = 0.044√12960𝑚3/𝑑 = 5 Filtros

2. Dimensiones de un filtro

Qu = Q

N=

12960m3/d

5= 2592

m3

d= 30

L

s

3. El área del filtro será:

A = Qu

CS=

2592m3

d

235𝑚3

𝑚2 ∗ d= 11.03 𝑚2

4. Dimensiones de los filtros

Asumimos una Relación L/B = 3

𝐵 = √𝐴

3= √

11

3= 1.9 𝑚 ≈ 2 m

L = B*3 = 2*3 = 6 m

5. Dimensiones de los lechos filtrantes

Teniendo en cuenta la Tabla 44, determinamos que el medio filtrante estará compuesto por una capa de 0.60 m de antracita, 0.30 m de arena y 0.4 m de grava.

6. Canaletas de lavado

Se asumen 4 canaletas de lavado Nc = 4 Distancia entre canaleta centro centro = (L )/(Nc)

= 6 /4= 1.5 m OK (rango 1.5 – 2m )

ASUS

Sticky Note

SOLO APLICA PARA M3/DIA

201

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

7. Determinación del caudal del lavado Ql = vl / A = 0.014 m/s * 6m * 2 m = 0.17 m

3/s

Caudal de una canaleta es:

𝑄𝑙𝑐 =0.17𝑚3/𝑠

4 = 0.042 m3/s

Asumiendo un ancho de canaleta de 0.3 m, la profundidad de la lámina de agua será: Ho = (0.042m

3/s/(1.375*0.3m))

2/3= 0.22 m

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

8. El volumen de agua requerido para lavado será:

VL = Ql * Tl = 0.17 m3/s * 15 min * 60 s/min = 151 m

3

9. Volumen de agua filtrada en 30 horas es:

Vf = Qf * Tf = 2592m3/d *30h /24h = 3240 m

3

10. El porcentaje de agua filtrada requerida para el lavado es:

% = 151 m3 /3240 m

3 * 100 = 4.7% (OK el rango debe estar entre 2 – 6%)

El diseño del filtro se presenta en el siguiente plano.

ASUS

Sticky Note

REVISAR LA FORMULA DE QL

202

Figura 8-1. Diagrama de filtro vista en corte

0,3 1,4 0,2 2 0,3 0,6 0,2 0,95 0,3

ARENA

ANTRACITA

GRAVA

0,6

0,3

0,4

0,0

5

0,7

6,25

0,5

0,2

5 0,3

1

0.2

1

0,3

0,5

20,3

3

203

Figura 8-2. Diagrama filtros vista en planta

2

6,45

1

0,15

20

,5 1

2

1,0

5

0,5

0,2

0,1

5

204

9 DESINFECCIÓN

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

a) El primero es que en los países desarrollados es obvio que la desinfección está

incorporada como un proceso ineludible, fijo y establecido. Es una rutina normal que se

ejerce con todo el conocimiento y convicción de lo que representa. Como tal, en esos

países, la ingeniería sanitaria, la química, la bioquímica y la toxicología evalúan, desde el

punto de vista técnico y en profundidad, las mejores capacidades, las mayores eficiencias

y los menores costos. Y desde el punto vista sanitario y toxicológico ahondan las

características y las relaciones que tienen los desinfectantes y los productos de la

desinfección con la salud.

b) El segundo comentario es que en los países en desarrollo ocurre lo contrario. Los

tratamientos de potabilización, sobretodo en áreas rurales, son imprecisos y la mala

operación y el escaso mantenimiento están extendidos. Es así que los procesos de

desinfección son pobres y no se respeta el papel que cumplen como protección de la salud

pública. En 1995, la Organización Panamericana de la Salud realizó una encuesta en

América Latina y comprobó que solo 41% de las aguas entregadas a la población por

medio de sistemas de producción y distribución recibían una adecuada desinfección.

205

Sin embargo, en las áreas rurales de los países en desarrollo, donde una pequeña población difícilmente tiene personal técnico idóneo, con posible aislamiento geográfico que deja fuera de contexto a respaldos técnicos imprescindibles, con conocimientos que solo permitirán una administración confusa y en general con escasos recursos; lo perfecto es, como se ha mencionado: utópico. Un paso tímido y no completo, pero de todos modos un “mejoramiento de la situación” será la utilización de prácticas de operación adecuadas al nivel cultural del lugar y el uso de tecnología verdaderamente apropiada. Frente a un equipo controlado por circuitos impresos, con leds de colores y que trabaja con errores de dosificación a la derecha de la coma; una caja de madera con una válvula de inodoro; una botella con un vaso de plástico dentro, un par de electrodos que generan hipoclorito a partir de sal de mesa; una botella colocada al sol; o un simple filtro de arena, son técnicas que pueden parecer ingenuas o pueden ser percibidas como excesivamente simples. Pero en rigor, ellas y otras que se presentarán en las páginas siguientes, son conspicuos representantes del gran caldero de la tecnología apropiada, que como se ha expresado, es un paso en la dirección correcta. Más aun, no debe confundirse su humildad y poco brillo con inseguridad o inaptitud. CONSIDERACIONES SOBRE LA DESINFECCIÓN Tal como se ha expresado, la desinfección es un proceso clave en cualquier sistema de tratamiento de agua. Por ello, en la producción de agua segura para consumo humano es importante destacar consideraciones especiales antes de su implementación. En las líneas que siguen se habrán de detallar algunas. Al diseñar un sistema de tratamiento de agua, en especial en el área rural, debe tomarse a la desinfección no como un elemento más, sino como un componente vital del sistema. En muchos casos, quien diseña un sistema de provisión de agua en una pequeña comunidad no solo toma a la ligera la desinfección, sino que hasta prioriza la producción de agua (cantidad), ante la seguridad de la misma (calidad). Ya se ha comentado que ninguna opción válida dentro de la tecnología apropiada es desechable ni se puede desestimar. Pero sí es importante que en la selección de esa tecnología se tomen en cuenta condicionantes tales como los recursos disponibles y la posibilidad de soporte técnico en los aspectos sociales, económicos y culturales de la comunidad. Cuando se está diseñando un sistema de desinfección debe entenderse que el mismo no puede estar disociado ni ser incongruente con la planta o sistema donde estará incluido. Por un lado, una planta de tratamiento de microfiltración con sistemas automatizados, energía eléctrica y personal capacitado para la operación y cuidado de la misma, podrá tener una bomba de diafragma o pistón manejada por un microprocesador. No sería en este caso “congruente” tener un sistema hecho con un flotador y un tubo de plástico agujereado dentro de un tanque de asbesto cemento. Por otro lado, si se trata de un sistema muy simple y rural, en donde ni siquiera se cuenta con energía eléctrica, no tendría sentido pensar en incorporar un generador de dióxido de cloro como sistema de desinfección. Muchas veces, la falla de estos sistemas se debe a la dependencia de la “importación” de productos químicos de otros países o de otras localidades. Esto puede acarrear demoras y discontinuidad, que frecuentemente pasan de ser temporales a permanentes. En la etapa de selección de la técnica y el sistema de desinfección se deben tener en cuenta sus características y contrastarlas con las características de la planta, el lugar y la comunidad. Es una buena receta tratar de complementar las mejores condiciones de la técnica y del sistema de desinfección con las de la fuente, lugar, sistema, población y sus características culturales. Esto es importante, pues la realidad indica que no hay lugar, sistema ni comunidad que sean perfectos.

206

9.1 TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN

En términos prácticos, desinfectar el agua significa eliminar de ella los microorganismos existentes, capaces de producir enfermedades. En la desinfección se usa un agente físico o químico para destruir los microorganismos patógenos, que pueden transmitir enfermedades utilizando el agua como vehículo pasivo. La desinfección es un proceso selectivo: no destruye todos los organismos presentes en el agua y no siempre elimina todos los organismos patógenos. Por eso requiere procesos previos que los eliminen mediante la coagulación, sedimentación y filtración. Para diferenciar claramente los conceptos referidos a la destrucción de organismos patógenos del agua, es necesario distinguir los siguientes términos:

a) Agente esterilizante: es aquel capaz de destruir completamente todos los

organismos (patógenos o no).

b) Desinfectante: es el agente que inactiva los gérmenes patógenos.

c) Bactericida: agente capaz de inactivar las bacterias.

d) Cisticida: agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes.

UTILIDAD DE LA DESINFECCIÓN

El uso de la desinfección como parte de un proceso de tratamiento del agua puede obedecer a los siguientes objetivos:

a) Reducir el contenido inicial de contaminantes microbiológicos en el agua cruda

(predesinfección). Este proceso se utiliza solo en casos especiales.

b) Desinfectar el agua luego de la filtración. Constituye el uso más importante.

c) Desinfección simple de un agua libre de contaminantes fisicoquímicos que no requiere otro

tratamiento.

Para que la desinfección sea efectiva, las aguas sujetas al tratamiento deben encontrarse libres de partículas coloidales causantes de turbiedad y color, las cuales pueden convertirse en obstáculos para la acción del agente desinfectante. La desinfección alcanza una eficiencia máxima cuando el agua tiene una turbiedad cercana a la unidad. Por ello es indispensable desplegar los esfuerzos necesarios para que los procesos de tratamiento previos sean efectivos y eficientes.

9.2 FACTORES QUE AFECTAN LA DESINFECCIÓN

Los factores que influyen en la desinfección del agua son los siguientes:

a) Los microorganismos presentes y su comportamiento

El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia definitiva en el proceso de desinfección. La reacción de los microorganismos frente a un desinfectante parece estar determinada por la resistencia de sus membranas celulares a la penetración del mismo y por la relativa afinidad química con las sustancias vitales del microorganismo. Las bacterias como las del grupo coliforme y las salmonelas son las menos resistentes a la desinfección, pues su respiración se efectúa en la superficie de la célula. El número de microorganismos presentes en el agua no afecta el proceso de desinfección. Ello quiere decir que para matar una gran cantidad de microorganismos se requiere la misma concentración y tiempo de contacto del desinfectante que para eliminar una cantidad pequeña, siempre y cuando la temperatura y pH del agua sean los mismos.

207

Cuando las bacterias forman aglomerados celulares, las que se encuentran protegidas en el interior pueden sobrevivir luego del proceso de dosificación del desinfectante. Para evitar que esto ocurra, es necesario favorecer la distribución uniforme de los microorganismos en el agua, lo cual se puede lograr mediante la agitación.

b) La naturaleza y concentración del agente desinfectante

Desinfectantes como el cloro y derivados pueden formar en el agua una serie de especies químicas cloradas, de diferente eficiencia desinfectante. Por otro lado, la concentración del desinfectante determinará el tiempo de contacto necesario para destruir todos los microorganismos presentes en el agua.

c) La temperatura del agua

Por lo general, la temperatura favorece el proceso de desinfección. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que la solubilidad de los agentes desinfectantes en estado gaseoso es inversamente proporcional a la temperatura. Por tanto, en condiciones extremas de temperatura —por ejemplo, en lugares donde el agua llega a menos de 5 ºC o en otros donde puede tener 35 ºC—, la cantidad del desinfectante disuelto en el agua variará considerablemente; será menor a mayor temperatura y viceversa.

d) La naturaleza y calidad del agua

La materia en suspensión puede proteger a los microorganismos existentes en el agua e interferir en la desinfección. La materia orgánica puede reaccionar con los desinfectantes químicos y cambiar su estructura. En ciertos casos, si en el agua persisten compuestos orgánicos que no han sido removidos en los procesos previos a la desinfección, se pueden generar derivados tóxicos o compuestos que confieren sabor u olor al agua, muchos de ellos desagradables, lo que cambiaría su calidad organoléptica.

e) El pH

El pH del agua es de suma importancia para la vida de los microorganismos acuáticos, ya que valores muy altos o muy bajos ofrecen a los microorganismos un medio adverso, con excepción de los quistes de amebas, que soportan pH tan altos como 13 ó tan bajos como 1. Por otra parte, la acción de los desinfectantes es fuertemente influenciada por el pH del agua. De acuerdo con su naturaleza, cada desinfectante tiene un rango de pH de mayor efectividad. Sin embargo, la práctica demuestra que cuanto más alcalina es el agua requiere mayor dosis de desinfectante para una misma temperatura y tiempo de contacto.

f) El tiempo de contacto

Cuanto mayor es el tiempo de contacto, mayor será la posibilidad de destrucción de los microorganismos para una cierta dosis de cloro aplicado.

9.3 TIPOS DE DESINFECCIÓN.

La desinfección se puede dividir en natural y artificial. La primera se refiere a la muerte progresiva de las bacterias, producida por agentes naturales tales como la luz solar, la sedimentación, la filtración en las capas arenosas del suelo, o la estabilización de la materia orgánica que disminuye la reserva de alimento para los microorganismos.

208

La desinfección artificial puede realizarse mediante agentes físicos o químicos. Los agentes físicos más importantes son: El calor y los rayos ultravioleta. Los agentes químicos más importantes son: los halógenos (cloro, bromo y yodo), la plata ionizada y el ozono.

9.3.1 Agentes físicos

La sedimentación natural es un proceso por el cual se realiza la decantación de partículas en suspensión por la acción de la gravedad. La decantación natural del material fino, como limo y arcillas, ayuda a la remoción de las bacterias; sedimentan más rápidamente los esporulados y los huevos de helmintos. La eficiencia de remoción de estos microorganismos dependerá del tiempo de retención del agua en el reservorio o sedimentador. Debido a que la sedimentación es un proceso en el cual la carga de microorganismos patógenos del agua puede concentrarse en los lodos, es necesario tener en cuenta que los presedimentadores, usados para abastecimiento de agua cruda, requieren un manejo cuidadoso a fin de no captar aguas estratificadas cuya calidad cause problemas en la planta de tratamiento. Por estas consideraciones, se recomienda:

a. Estudiar el comportamiento del presedimentador, tanto en verano como en invierno, en

función de la calidad fisicoquímica y bacteriológica del agua que se capta.

b. Eliminar periódicamente los lodos generados, para lo cual debe conocerse

permanentemente la altura que va tomando. No es recomendable devolver este

material al curso de agua cercano, ya que su alto grado de contaminación afectaría

seriamente los demás usos del agua (agricultura, pesca, etcétera). Estos lodos deben

ser retirados por medios mecánicos y tratados con cal, a fin de eliminar los huevos de

helmintos existentes.

c. Efectuar la circulación vertical del agua, con la finalidad de eliminar la estatificación o

de lograr que esta se produzca a la mayor profundidad posible, de tal modo que

permita la oxigenación adecuada del agua

Coagulación–floculación–sedimentación

Los procesos de mezcla, coagulación, floculación y sedimentación son bastante eficientes en la remoción de la mayoría de las bacterias, protozoarios y virus que se encuentran en el agua, debido a que estos microorganismos son partículas coloidales y por ello se encuentran sometidos al mismo mecanismo de remoción de los demás coloides. Evidentemente, al continuar la aglutinación de partículas, las bacterias y los virus son incorporados dentro de los microflóculos y se sedimentan. Por esta característica, en los lodos provenientes de los sedimentadores, se encuentra gran cantidad de bacterias y virus, lo que obliga a manejar estos lodos con bastante cuidado por su peligro potencial.

Filtración

Los filtros lentos pueden llegar a remover 96% de bacterias, cuando el agua no presenta más de 100 ppm de materias en suspensión y 200 bacterias por mililitro. Los filtros rápidos pueden llegar hasta 98% de eficiencia en la remoción debacterias. La filtración es muy efectiva en la retención de los microorganismos grandes, como las algas y diatomeas; pero los olores y sabores asociados a ellos no son eliminados a menos que se consideren otros procesos específicos para este fin.

209

La luz y los rayos ultravioleta

La luz ultravioleta (longitud de onda correspondiente a la máxima acción microbicida = 254 nm) mata las bacterias. Sin embargo, la profundidad de penetración de esta radiación en el agua es limitada, lo que se traduce en que si se requiere eficiencia en la eliminación de microorganismos por rayos ultravioleta, se deben irradiar solo láminas delgadas de agua. Su aplicación solo se reduce a aguas claras y no contaminadas. Como cualquier proceso, la desinfección con rayos ultravioleta presenta ventajas y desventajas. Entre las ventajas se pueden citar las siguientes:

a) Actúa sobre una amplia gama de microorganismos, ya que los rayos ultravioleta

inactivan los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Pueden eliminar bacterias comunes,

esporulados y virus.

b) No reacciona con los constituyentes del agua y, por tanto, no forma derivados ni

cambia las condiciones organolépticas del agua.

c) El proceso es sencillo y de bajo costo.

d) El proceso no necesita tanques de mezcla o de contacto.

Entre las desventajas pueden mencionarse las siguientes:

a) La penetración de los rayos en el agua está limitada por el color y la turbiedad, por

lo que el agua debe ser completamente clara.

b) Con el transcurso del tiempo, las lámparas pueden ensuciarse, lo que reducirá la

capacidad de penetración de los rayos.

c) La vida útil de las lámparas es muy limitada.

d) Los rayos ultravioleta tienen efecto puntual, no dejan radiación residual para

eliminar la contaminación posterior en la red, muy frecuente ya que a menudo se

producen presiones negativas que pueden permitir el ingreso de aguas

contaminadas.

9.3.2 AGENTES QUÍMICOS

Los compuestos químicos usados en la desinfección del agua son, por lo general, oxidantes fuertes que tienen gran eficiencia en la eliminación de los microorganismos y pueden dejar remanentes tóxicos en el agua, los cuales requieren un control estricto para evitar riesgos en la salud del consumidor. Los más importantes son los siguientes:

a) Los halógenos como el cloro, el bromo y el yodo. El efecto germicida y de penetración de

estos aumenta con su peso atómico. Por ser los de mayor importancia, se hará mayor

referencia a cada uno de ellos en las siguientes secciones.

b) El ozono (O3).

c) El permanganato de potasio (KMnO4).

d) El agua oxigenada (H2O2) y los iones metálicos.

Características de un buen desinfectante químico

210

Para garantizar su efectividad, un buen desinfectante debe cumplir con una serie de requisitos. Los más importantes son los siguientes:

a) Ser capaces de destruir, en un tiempo razonable, los organismos patógenos,

independientemente de la cantidad en la que estén presentes y de las condiciones

propias del agua.

b) En las dosis usuales, no ser tóxicos para el hombre ni para los animales

domésticos, ni presentar olor ni sabor en el agua.

c) Tener un costo razonable; ser de manejo y dosificación seguros y fáciles.

d) La determinación de la concentración en el agua debe ser fácil, rápida y económica

(de preferencia, automática).

e) Debe dejar residuales persistentes en el agua, de manera que estos actúen como

una barrera sanitaria para posibles contaminaciones futuras.

Los agentes oligodinámicos de desinfección: Ag+ Los iones plata deben su acción a la fuerza generada por “cantidades diminutas”, propias de ciertos metales al estado iónico. Se usan generalmente en la desinfección de agua de piscinas a una concentración de 0,15 ppm. En algunos países europeos, se utiliza este método para la desinfección de aguas industriales. También se lo utiliza ocasionalmente en filtros de agua domésticos de porcelana porosa, con relativo éxito. Los iones de plata son usados principalmente para preservar la calidad bacteriológica de aguas embotelladas. Para la preparación de pequeñas cantidades de agua de bebida, se aplica el conocido proceso Katadyn, en el cual los filtros de cartucho utilizados son cubiertos con cloruro de plata (AgCl), a través de los cuales pasa el agua, y se produce el intercambio iónico. Este método tiene las siguientes limitaciones:

a) No es efectivo para eliminar virus.

b) El efecto tóxico de los iones de plata libres limita su aplicación.

c) La materia coloidal suspendida, los cloruros y el amoniaco interfieren la efectividad del ion

plata.

d) La eficiencia se controla mediante la determinación de la calidad bacteriológica del agua y

no por el control de la concentración del desinfectante.

e) Requiere un prolongado tiempo de contacto.

Los agentes oxidantes Los microorganismos contienen enzimas que son catalizadores biológicos esenciales. Estas enzimas son muy vulnerables a la acción de agentes oxidantes fuertes, que puedan traspasar las paredes de la célula. Los agentes químicos oxidan las enzimas y provocan la muerte de las bacterias. Los virus también son atacados por los agentes oxidantes, aunque en forma no tan eficiente como lo son las bacterias. Para mejorar su efecto, se requiere una máxima eficiencia de los procesos de tratamiento previos. A continuación se citan los principales agentes oxidantes usados en la desinfección del agua; por razones prácticas, se trata cada caso en comparación con el cloro. El ozono

211

Es una forma alotrópica del oxígeno, en la cual tres átomos del elemento se combinan para formar una molécula. El ozono es inestable y se descompone con cierta facilidad en oxígeno normal y oxígeno naciente, que es un fuerte oxidante. Debido a esta característica, actúa con gran eficiencia como desinfectante y se constituye como el más serio competidor del cloro. El ozono es un gas ligeramente azul, de olor característico, que se puede percibir después de las tempestades. Es poco soluble en el agua y muy volátil. Se mantiene en el agua solo algunos minutos; en su aplicación, se pierde aproximadamente el 10% por volatilización. Las dosis necesarias para desinfectar el agua varían según la calidad de la misma de la siguiente manera:

Para aguas superficiales de buena calidad bacteriológica, luego de la filtración, se

requieren de 2 a 3 mg/L de ozono.

Para aguas superficiales contaminadas, luego de la filtración, se debe aplicar entre 2,5 y 5

mg/L de ozono.

Se considera que el ozono es el desinfectante de mayor eficiencia microbicida y requiere tiempos de contacto bastante cortos. Se ha demostrado que cuando el ozono es transferido al agua mediante un mezclador en línea sin movimiento, las bacterias son destruidas en dos segundos. Por ello, el tiempo de contacto en la ozonización no tiene mayor importancia. La velocidad con que el ozono mata a las bacterias es bastante mayor que la del cloro, debido a que, si bien ambos son oxidantes, el mecanismo de acción es diferente. El ozono mata a la bacteria por medio de la ruptura de la membrana celular. Este proceso, conocido como destrucción de células por lisina, produce la dispersión del citoplasma celular en el agua. En cambio, el cloro debe introducirse a través de la pared celular de la bacteria y difundirse dentro del citoplasma, acción que depende en alto grado del tiempo de contacto. Debido a su gran poder oxidante, su uso puede ser recomendable en el pretratamiento de aguas para la reducción de metales disueltos y la remoción de materia orgánica, lo que permite un ahorro en coagulantes y tiempos de retención. Experimentalmente, se ha demostrado que se requiere menos cantidad de ozono que de cloro en procesos similares de pretratamiento. El ozono, además de atacar a los precursores de los trihalometanos y reducir su concentración en el agua, destruye a estos compuestos ya formados. Otra ventaja frente al cloro es que no imparte al agua color, olor ni sabor. La desventaja más importante del ozono como desinfectante del agua radica en que no tiene poder residual, además de la limitada información sobre la toxicidad de sus productos derivados como los aldehídos, los ácidos carboxílicos, los bromatos, los bromometanos, las cetonas, etcétera. El yodo Es el halógeno de mayor peso atómico; por su bajo poder de oxidación, resulta más estable. Por esta razón, sus residuales se conservan por mucho más tiempo que el cloro. Una de las características del yodo es que no forma yodaminas en presencia del amoniaco. A diferencia del cloro, no reacciona con los fenoles, pero cuando estos están en concentraciones mayores que 1 mg/L, imparte al agua un sabor medicinal. La mayor desventaja del yodo como desinfectante del agua radica en su costo, pues es más caro que el cloro. El bromo

Reacciona con el agua en forma de ácido hipobromoso. Bien su efectividad es, en algunos aspectos, similar a la del cloro o yodo, su costo es más alto, por lo que su uso se limita, en

212

términos prácticos, a la desinfección de aguas de piscinas de natación, ya que posee también propiedades alguicidas. Su ventaja frente al cloro en la desinfección del agua de piscinas es que la dosis mínima residual recomendada de 0,4 g/m3 no imparte olor al agua ni provoca irritación en los ojos, independientemente del valor de pH.

9.4 EL CLORO

El cloro, oxidante poderoso, es, sin duda alguna, el desinfectante más importante que existe, debido a que reúne todas las ventajas requeridas, incluyendo su fácil dosificación y costo conveniente. Sin embargo, presenta algunas desventajas:

a. Es muy corrosivo.

b. Puede producir sabor desagradable en el agua, incluso en concentraciones que no

significan riesgo para el consumidor.

c. Su manejo y almacenamiento requiere ciertas normas de seguridad, para evitar riesgos en

la salud de los operadores.

El cloro, en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas verde, dos y media veces más pesado que el aire. En potabilización y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas (Cl2) generado a partir de la vaporización de cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente hipoclorito de sodio (NaOCl), y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado (HTH) o hipoclorito de calcio (Ca(OCl)2). De estas las más usadas son el hipoclorito de calcio y el hipoclorito de sodio, cuya eficiencia bactericida es idéntica a la del cloro y que producen reacciones similares en el agua. Se emplean en plantas pequeñas, piscinas y pozos, pues los hipocloradores son más sencillos y económicos. En términos generales, el costo del hipoclorito es más alto que el de la cloración con cloro gaseoso, pero en lugares donde no se pueden transportar cilindros de cloro o en situaciones de emergencia es la única alternativa posible. Características del cloro como desinfectante

b) Destruye los organismos patógenos del agua en condiciones ambientales y en un tiempo

corto.

c) Es de fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo.

d) La determinación de su concentración en el agua es sencilla y de bajo costo.

e) En las dosis utilizadas en la desinfección de las aguas, no constituye riesgo para el hombre

ni para los animales.

f) Deja un efecto residual que protege el agua de una posterior contaminación en la red de

distribución.

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

El cloro, al entrar en contacto con el agua, lo primero que ocurre es que este se hidroliza reaccionando con el H2O, luego se combina con al amoniaco presente y con la materia orgánica,

213

asi como ciertas sustancias químicas para producir una gran diversidad de compuestos, algunos de los cuales tienen propiedades desinfectantes y otros no. Básicamente se pueden considerar dos tipos de reacciones: Las de hidrólisis

En que el cloro interacciona con la molécula de agua para producir ácido hipocloroso (HOCl) e ion hipoclorito (OCl). A estos compuestos se les llama cloro libre.

𝐶𝑙2 + 𝐻2𝑂 = 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 𝐶𝑙− El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito:

𝐻𝑂𝐶𝑙 ↔ 𝑂𝐶𝑙− + 𝐻+ Como es evidente, la disociación del ácido hipocloroso depende de la concentración del ion hidrógeno, o sea del pH, como se muestra en Tabla 47

Tabla 47. Concentración de Hidrógeno según pH

Las especies HOCl y OCl- en el agua constituyen lo que se denomina cloro libre disponible o residual libre.

Las de oxidación – reducción En que el cloro se combina:

a) Con el nitrógeno amoniacal para producir cloraminas (monocloraminas NH2 Cl y

dicloramina NHCl2, a las cuales se les llama cloro combinado utilizable). También se

puede producir tricloruro de nitrógeno, NCl3.

b) Con los aminoácidos, materiales proteínicos y orgánicos y sustancias químicas (Fe++,

Nm++, NO2, H2S), con los cuales produce distintos compuestos clorados que forman el

cloro combinado no utilizable o demanda.

La Tabla 48, resume los tipos de reacción del cloro en el agua y su efecto en el proceso de desinfección.

Tabla 48. Tipos de reacción del Cloro en el Agua

Reaccionantes Productos Nombre Efecto desinfectante

Agua HOCl, OCl- Cloro libre Potente

Nitrógeno amoniacal Cloraminas Cloro combinado Pobre

Materia irgánica, Fe, Mn, SO2, H2S, etc.

Demanda Cloro consumido Nulo

Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

214

Las cloraminas, productos del cloro combinado, son responsables de la desinfección como cloro residual, por ser más estables que el ácido hipocloroso o el hipoclorito. Tienen condicionada su formación, también al pH del agua. Los residuales de las cloraminas, por ser relativamente estables, tienen una acción desinfectante más lenta. Esta capacidad decrece con el menor contenido de cloro en su molécula; es decir, la dicloramina es más activa que la monocloramina. Cada uno de los compuestos anteriores tiene diferentes propiedades. Algunos son desinfectantes muy activos como el HOCl, otros muy ineficientes como el NH2Cl y otros carecen de todo poder desinfectante, como son los cloruros inorgánicos y orgánicos producidos por la demanda. La Fig. 83, permite entender que la cantidad de cloro que debe considerarse para la eliminación de microorganismos no forma parte de la denominada demanda sino del cloro residual (libre y combinado). Esto significa que la eliminación de los microorganismos no produce una disminución sensible de la cantidad de cloro residual, el que, además de ejercer su acción bactericida, protege al agua contra posteriores contaminaciones.

Fig. 83. Formas importantes de cloro en la cloración del agua Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

9.4.2 DOSIFICACIÓN

El cálculo de la dosis necesaria para una efectiva cloración se hace mediante una prueba de laboratorio denominada punto de quiebre. Si se mide el cloro aplicado en agua que contiene agentes reductores, amoniaco y aminas orgánicas, se puede construir una gráfica de la dosis contra los residuales obtenidos llamada curva de demanda de cloro, en la que se observa un incremento inicial en los residuales de cloro seguido de una declinación y luego, finalmente, de otro incremento a partir de un punto conocido como punto de quiebre. Inicialmente se satisface la demanda inmediata de cloro, y éste reacciona con los agentes reductores presentes y no forma un residual detectable; una vez satisfecha la demanda ejercida

215

por los agentes reductores, éste reacciona con todo el amoniaco y las aminas orgánicas presentes; a continuación se presenta la destrucción de las cloraminas, que reduce el cloro residual y es acompañada por la formación de óxido nitroso, nitrógeno y tricloruro de nitrógeno. Una vez completa la oxidación de los compuestos susceptibles de ser oxidados por cloro, todo el cloro agregado desarrolla un residual de cloro libre. La Fig. 84, muestra la curva de demanda de cloro.

Fig. 84. Curva punto de quiebre

Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004) El cloro total disponible se da como una función de la dosis de cloro y se define como la suma del cloro libre y del cloro combinado. El residual de cloro libre disponible es la suma de ácido hipocloroso (HOCl) y del ion hipoclorito (OCl-), expresado como mg.Cl2/L. El residual de cloro combinado es la suma de las monocloraminas (NH2Cl), de las dicloraminas (NHCl2) y de las tricloraminas (NCl3), expresada como mg.Cl2/L. Normalmente, el cloro libre es mucho más eficiente (requiere una dosis menor en un tiempo de contacto también menor) que las cloraminas. Por lo anterior, en el tratamiento del agua, cuando el cloro es el único desinfectante aplicado y cuando las aguas están muy contaminadas, se recomienda la cloración al punto de quiebre, lo cual significa que la dosis de cloro aplicada es suficiente para superar ese punto y, por lo tanto, ha sido oxidado todo el amoniaco (NH3) presente, con un residual de HOCl, de OCl

- o una combinación de ambos según sea el pH del agua.

9.4.2.1 Normatividad RAS 2000

La RAS 2000 en su título C, nos da ciertas recomendaciones referentes a la concentración y el punto de aplicación, estas son:

Concentración en cloro residual

La concentración de cloro residual libre en el sistema de distribución debe estar entre 0.2 mg/L y 1.0 mg/L, según lo fijado por el Decreto 475 de marzo 10 de 1998 del Ministerio de Salud.

216

Punto de aplicación

El cloro debe aplicarse en un punto donde provea una mezcla óptima y asegure un máximo tiempo de contacto. El cloro debe poderse aplicar en dos etapas en caso de ser necesario: antes del tanque de sedimentación secundaria y después de éste.

Tiempo de contacto

El período de contacto en la cámara de cloración no será menor de 30 minutos con base

en el caudal medio diario. Después de una mezcla rápida sustancial debe proveerse un tiempo de contacto mínimo de quince minutos en el caudal máximo horario ó la razón máxima de bombeo.

9.4.2.2 Selección de la dosis del desinfectante, método concentración - tiempo.

Cualquiera sea el nivel de complejidad, la determinación de la dosis de desinfectante con la cual debe operar la planta de tratamiento y el dimensionamiento de los distintos componentes de la misma debe hacerse por el método concentración-tiempo. Este método parte del principio de que la concentración “C” de desinfectante aplicado (cloro libre) multiplicada por el tiempo de detención “t” desde que se aplica dicha dosis hasta que se consume el agua, es igual a una constante “C”, o sea que Ct=K. Los valores de esa constante K están dados en las Tabla 49y Tabla 50. Fueron tomados de los que aparecen en las regulaciones de la Agencia de Protección del Ambiente de los Estados Unidos, los cuales varían con el pH y la temperatura del agua, según sea la eficiencia del tratamiento que se le dé a éste en los procesos previos a la desinfección (sedimentación y filtración) en los que se remueve un cierto porcentaje de organismos patógenos, que en algunos casos puede llegar hasta el 99%. Se emplea la ley de Watson , que se expresa así:

𝑡 =𝐾

𝐶𝑛

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

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

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

Arboleda Valencia en su libro nos presenta la Fig. 85, donde se puede determinar de manera directa el valor de la constante K.

217

Fig. 85. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de coliformes

con cloro libre (Arboleda Valencia, 2000)

Sin embargo el empleo de esta fórmula involucra las siguientes aproximaciones:

a) Completa ausencia de retromezcla en el sector.

b) Los microorganismos y los desinfectantes están uniformemente distribuidos en el líquido.

c) Existe una mezcla completa entre el desinfectante y el líquido.

d) La concentración del desinfectante es constante en el tiempo.

e) La tasa de inactivación es dependiente del número de organismos sobrevivientes

f) La tasa de inactivación es directamente proporcional a la concentración C.

Las tablas suministradas por la RAS 2000, para los valores de Ct que aparecen en las las Tabla 49 y Tabla 50, parten de los siguientes supuestos:

a) Toda agua superficial está contaminada con protozoarios y virus entéricos.

b) Los procesos de tratamiento (coagulación – sedimentación – filtración) remueven parte de

los protozoarios y virus entéricos cuando los hay en el agua cruda.

c) La concentración efectiva para calcular el Ct es la que existe al final del periodo de

detención.

Estos supuestos, si bien están de lado de la seguridad, obligan a darle una desinfección muy exigente a todas las aguas en especial por cuanto, el tiempo de detención que hay que tomar es bastante menor que el teórico y la concentración es la final, sin tener en cuenta que al comienzo es mucho más alta. La AWWA ha fijado como meta mantener 0.5 mg/L de cloro libre a 2.0 mg/L de

218

cloro combinado una vez satisfecha la demanda. Pero acepta como nivel de operación 1.0 mg/L de cloro combinado en cualquier punto de la red de distribución, o cantidades detectables de cloro libre. Si la operación de la planta permite durante el 90% de su operación, la remoción del 95 al 99% de coliformes en los procesos previos de sedimentación y filtración y la turbiedad del agua filtrada se mantiene durante el 95% del tiempo menor de 1,0 UNT, debe usarse la Tabla 49. Tabla 49. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log

3

10ºC 15ºC 20ºC 25ºC

Dosis de Cloro

pH pH pH pH

Aplicada mg/l 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5

<=0.4 24 29 35 42 16 20 23 28 12 15 17 21 8 10 12 14

0,6 25 30 36 43 17 20 24 29 13 15 18 21 8 10 12 14

0,8 26 31 37 44 17 20 24 29 13 15 18 22 9 10 12 15

1 26 31 37 45 18 21 25 30 13 16 19 22 9 10 12 15

1,2 27 32 38 46 18 21 25 31 13 16 19 23 9 11 13 15

1,4 27 33 39 47 18 22 26 31 14 16 19 23 9 11 13 16

1,6 28 33 40 48 19 22 26 32 14 17 20 24 9 11 13 16

1,8 29 34 41 49 19 23 27 33 14 17 20 25 10 11 14 16

2 29 35 41 50 19 23 28 33 15 17 21 25 10 12 14 17

2,2 30 35 42 51 20 23 28 34 15 18 21 26 10 12 14 17

2,4 30 36 43 2 20 24 29 35 15 18 22 26 10 12 14 17

2,6 31 37 44 53 20 24 29 36 15 18 22 27 10 12 15 18

2,8 31 37 45 54 21 25 30 36 16 19 22 27 10 12 15 18

3 32 38 46 55 21 25 30 37 16 19 23 28 11 13 15 18

Fuente RAS 2000. Titulo C Para el caso de plantas que usen una fuente altamente contaminada o que en la operación de los procesos previos de sedimentación y filtración se remueva menos del 90% de los coliformes totales y la turbiedad del agua filtrada esta entre 2,0 y 5,0 UNT, se debe utilizar la Tabla 50. Tabla 50. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre para log

4

10ºC 15ºC 20ºC 25ºC

Dosis de Cloro

pH pH pH pH

aplicada

mg/l 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5

<=0.4 49 59 69 83 33 39 47 55 24 29 35 41 16 19 23 28

0,6 50 60 71 85 33 40 48 57 25 30 36 43 17 20 24 29

0,8 52 61 73 87 35 41 49 59 26 31 37 44 17 21 25 29

1 53 63 75 89 35 42 50 60 26 31 37 45 17 21 25 30

1,2 53 63 76 91 36 43 51 61 27 32 38 46 18 21 25 31

1,4 55 65 77 93 37 43 52 63 27 33 39 47 18 22 26 31

1,6 55 66 79 96 37 44 53 64 28 33 39 48 19 22 27 32

219

1,8 57 67 81 98 38 45 54 65 29 34 41 49 19 23 27 33

2 58 69 83 100 39 46 55 67 29 35 41 50 19 23 27 33

2,2 59 70 85 102 39 47 57 68 29 35 42 51 20 23 28 34

2,4 60 71 86 105 40 48 57 70 30 36 43 52 20 24 29 35

2,6 61 73 87 107 41 49 59 71 31 37 44 53 21 25 29 35

2,8 62 74 89 109 41 49 59 73 31 37 45 54 21 25 30 36

3 63 75 91 111 42 51 61 74 31 38 45 55 21 25 31 37

Fuente RAS 2000. Titulo C

9.4.2.3 Ejemplos de diseño

Ejercicio 1.

Se desea clorar el efluente de una planta de filtración que tiene una turbiedad de 3 NTU, que proviene de una fuente altamente contaminada. Se ha calculado que entre el momento que se aplica el cloro al agua y el momento en que esta va a ser consumida, en las horas de máxima demanda, transcurren 60 min. El pH del agua es de 8.0 y la temperatura de 22°C. El contenido de nitrógeno amoniacal es de 0.2 mg/L, y el punto de quiebre está a una relación Cl:N=8.5:1. Se requiere:

1. La dosis de cloro deberá ser aplicada para garantizar la destrucción de los organismos

coliformes.

2. Capacidad de los cloradores

3. Volumen del tanque

4. Dimensionamiento

Solución:

1. Determinar el valor de K

Según la Fig. 85, el valor de K = 12.3 mg*min/L, por lo tanto

𝐶 = (𝐾

𝑡)

1/𝑛

= (12.3

60 𝑚𝑖𝑛)

1/0.86

=0.158𝑚𝑔

𝐿𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒

2. Determinación de la cantidad de cloro para sobrepasar el punto de quiebre.

Para obtener cloro libre necesitamos sobrepasar el punto de quiebre y por tanto aplicar por

lo menos 8.5*0.2 mg/L = 1.7 mg/L de cloro. En consecuencia la dosis de cloro que deberá

ponerse para obtener 0.158 mg/L de cloro libre deberá ser aproximadamente:

1.7mg/L + 0.158 mg = 1.9 mg/L

3. Determinación de la capacidad de los cloradores:

Se determina la capacidad

Q= 0.15 m3/s *86400 = 12960 m

3/d

Capacidad = Q * dosis = 12960 m

3/d * 1.9 mg/(m

3*1000) = 24.6 mg/d

220

4. Volumen del tanque

t = 60 min = 0.04 d V = Q * t = 12960 m

3/d * 0.04 d = 518.4m

3

5. Área del tanque

Si suponemos una profundidad de 2 m el área será:

𝐴 =𝑉

𝐻=

518.4

2= 259.2𝑚2

6. Dimensionamiento: Si es un tanque rectangular tiene que cumplir con la relación

1 < L/B<3. Por lo tanto asumimos que L/B = 2

Tenemos que:

𝐵 = √𝐴

2= √

259.2

2= 11.38𝑚

Por motivos constructivos aproximamos a 11m Por lo tanto el valor de L será:

L = 2*B = 22 m Ejemplo 2 Se requiere diseñar un sistema de cloración para una planta de tratamiento cuya capacidad es de 0.15 m

3/s. El agua proviene de una fuente altamente contaminada y el efluente proviene de una

planta de filtración que tiene una turbiedad de 3 NTU. Se estima por el ensayo de punto de quiebre que con 0.8mg/L se puede llegar a tener suficiente cloro residual. Temperatura 15°, pH 7.5

1. Determinar el tiempo de contacto. 2. Capacidad de los cloradores 3. Volumen del tanque 4. Dimensionamiento

Solución

a) Determinación del valor de K

Según la Tabla 50, para un pH de 7.5 y una dosis de 0.8mg/L, el valor de K = 59

Si se aplica el criterio de la RAS, y la dosificación mediante ensayo de punto de quiebre, la fórmula de Wattson se expresa así:

𝐶𝑡 = 𝐾 Donde C = Concentración K = Constante empírica que depende del pH. T = Tiempo de retención (min)

221

b) Determinación del tiempo de contacto

𝑡 =𝐾

𝐶=

59

0.8 𝑚𝑔/𝐿= 73.8 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

c) Capacidad de los cloradores

C = Q * dosis = 0.15m3/s * 0.8mg/L

= 0.15m3/s * 0.8g/ m

3

= 0.12 g/s = 10.4 KgCl/d

Para el sistema de dosificación es necesario calibrarlo a una dosis de 10.4 Kg/d.

d) Volumen del tanque

El volumen del tanque se obtiene mediante la ecuación V = Q * t = 0.15 m

3/s * 73.8 min*60= 664.2 m

3

e) Cálculo del área, si asumimos una profundidad H = 2m, tenemos que

𝐴 =𝑉

𝐻=

664.2𝑚3

2𝑚= 332.1𝑚2

f) Dimensionamiento:

Preferiblemente se adopta una estructura tipo rectangular, por lo tanto debe satisfacer la siguiente condición: 1<L/B>3 Asumimos una relación L/B = 2, por lo tanto el valor de B será:

𝐵 = √𝐴

2= √

332.1

2= 12.9𝑚 = 13𝑚

Por lo tanto L, será igual a: L = 2*B = 26 m El cloro se aplica a la entrada del tanque, de cloración.

222

10 FLOTACIÓN Y AIREACIÓN.

Es una Operación física unitaria", esto es, un método de tratamiento en el que predominan los fenómenos físicos, que se emplea para la separación de partículas de una fase líquida. En otras palabras, se trata de un proceso de separación de materias de distinto origen que se efectúa desde sus pulpas acuosas por medio de burbujas de gas y a base de sus propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas. En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del líquido que la contiene. En la flotación provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas partículas sólidas o líquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente, aire) y formar conjuntos partícula–gas menos densos que el líquido que constituye la fase dispersa. La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arquímedes, fuerza de resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos partícula–gas que se concentran en la superficie libre del líquido. Para que sea de factible la flotación partículas sólidas o líquidas más densas que el líquido, es preciso que la adherencia de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto entre las partículas y el líquido. Este contacto entre un sólido y un líquido se determina mediante la medida del ángulo formado por la superficie del sólido y la burbuja de gas Fig. 86.

Fig. 86. Angulo entre la superficie de sólido y la burbuja de gas.

Si θ = 0, el contacto entre el sólido y el líquido se realiza de forma perfecta; es imposible la adherencia sólido-gas. Si θ = 180°, el contacto entre el sólido y el líquido es nulo; es óptimo el contacto sólido - gas. Se trata de un caso límite que nunca se da en la práctica, puesto que ningún líquido da un ángulo θ mayor de 110° (caso del mercurio). Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partículas pueden resultar de las siguientes acciones:

a) Colisión entre la bola y la partícula, debido a turbulencia o a atracción entre ambas.

b) Aprisionamiento de las bolas contra los flóculos o contacto entre los flóculos que están

sedimentando y las bolas de aire en ascensión.

http://www.ecured.cu/index.php/Part%C3%ADcula

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=n3A5MK6lDpg

223

c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flóculos.

Cuando se tienen partículas hidrofílicas, los mecanismos b y c parecen ser los responsables de la eficiencia de la flotación, en tanto que el mecanismo parece predominar en la obtención de una unión más estable entre las bolas de aire y las partículas, las cuales requieren un cierto grado de hidrofobia.

10.1 SISTEMAS DE FLOTACIÓN

Cualquier sistema de flotación debe presentar las siguientes características:

a) Generación de bolas de tamaño apropiado en relación con las partículas que se desea

remover.

b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partículas en suspensión.

c) Separación adecuada del material flotante.

La flotación puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a través del proceso electrolítico y por aire disuelto, los principales procesos se presentan a continuación.

10.1.1 Sistema flotación por aire disuelto (dissolved air flotation)

El mecanismo del proceso de la DAF, (Flotación Aire Disuelto) genera burbujas muy pequeñas, con un promedio de diámetro de 20 micrones; esto, en la parte media de la suspensión. Estas burbujas se adhieren tanto a sólidos finos, materia en suspensión, bacterias, precipitados de grasas, aceites, jabones, metales pesados, colorantes, proteínas, elementos orgánicos, etc.; levantándolas y haciéndolas flotar en la superficie, permitiendo la clarificación en el fondo del tanque Figura 87.

Fig. 87. Esquema de filtración por aire disuelto La proporción de separación y flotación usando la tecnología DAF está dada por acción de elevación de las burbujas microscópicas, que es de aproximadamente 30 cm. por minuto para las burbujas de 20 micrones, en contraste con las de velocidad de asentamiento en una planta convencional y que es menor a 2.5 cm/min. Esto debido a la pequeña diferencia entre la gravedad específica de los sólidos suspendidos finos y el agua. De acuerdo a estas diferencias de

224

velocidades, tenemos que la flotación es aproximadamente 12 veces más rápida que los procesos clásicos. Esta tecnología tiene ventajas únicas en su género cuando es utilizado como:

a) Tratamiento Único.

b) Tratamiento Primario antes de un tratamiento biológico existente futuro.

c) Tratamiento Secundario después de un tratamiento biológico existente o futuro.

d) Clarificación Secundaria y Filtración Terciaria en plantas compactas de Agua Potable.

Esta Tecnología de Flotación aprovecha al máximo los siguientes principios: 1.- Se usa un tanque de poca profundidad, exactamente de 40.64 cm a 45.78 cm. Esto hace que las distancias por subir de las burbujas de lodos sea corta. 2.- La alimentación de entrada llega al tanque por medio de un manifold radial en rotación. El flujo en proporción controlada que forma la alimentación, se sincroniza con la velocidad de rotación del manifold, de tal manera que la mezcla aire-agua se deposite dentro del tanque, como si se estuviera extendiendo una alfombra de agua, es decir, sin velocidad (Principio de Velocidad Cero).La condición estática (libre de corrientes cruzadas o gradientes de velocidad), permite una flotación eficiente de los sólidos floculados, resultando la clarificación del agua en la parte baja del tanque. El agua clarificada fluye al depósito central a través de tubos de extracción perforados, los cuales están sujetos al anillo de reunión del movimiento. Los sólidos pesados que se sedimentan en el fondo, son llevados a una tolva localizada en el mismo fondo, por medio de una hoja de limpieza. 3.- La capa de lodo flotado se recoge de la superficie por medio de una cuchara en espiral, la cual también gira alrededor del tanque permitiendo que la capa de lodo se mantenga en un lugar (Acción mecánica que estabiliza los lodos para ser removidos). El tiempo de retención del agua en estos tipos de clarificadores de Flotación Avanzada, es nominalmente de tres minutos, resultando con esto un equipo de poca profundidad, de poco peso, idóneo para ser instalado en diversas localizaciones; alrededor de las instalaciones, dentro o fuera, así como arriba ó abajo. Documentos y enlaces de apoyo:

http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01567e14.pdf Entrar en el siguiente enlace

http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_03.pdf http://www.daftechindia.com/spanish/dafclarifiers.html

10.2 AIREACIÓN

La aireación es una operación de transferencia de gas, que puede ser empleada con fines incluso de agitación. La aireación para intercambio de gas se puede emplear para:

a) Adición de O2

b) Remoción de CO2

c) Remoción de H2S

d) Remoción de CH4

e) Remoción de aceites y otras sustancias volátiles

http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01567e14.pdf

http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_03.pdf

http://www.daftechindia.com/spanish/dafclarifiers.html

225

10.2.1 Tipos de aireadores

Existen diferentes tipos de aireadores estos son:

Por gravedad

De boquillas

Difusores

Mecánicos

POR GRAVEDAD Aireadores de cascadas Son aireadores en los que una altura disponible se subdivide en varias caídas para incrementar la cantidad de oxígeno al agua que atraviese esta estructura o por le contrario disminuir el contenido de los gases no deseables. La Fig. 88, nos presenta el diagrama de esta estructura.

Fig. 88. Aireadores de cascada Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005)

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

𝑡 = 𝑛√2ℎ

𝑔

Dónde:

226

t = tiempo de exposición o contacto, s h = altura de cada escalón, m g = aceleración de la gravedad, m/s

2

n = número de escalones El área superficial del aireador se determina a partir de la carga hidráulica

𝐴 =𝑄

𝐶𝐻

En donde: Q = caudal, m

3/d

CH = carga hidráulica, m3/m

2d

A = área superficial, m2

En la tabla se resumen los principales criterios de diseño

Tabla 51. Criterios de diseño para aireadores de cascada

Criterio

Altura escalones h (m)

Presión requerida (m.c.a)

Número escalones n

CH (m

3/m

2*d)

Asce-Awwa-CSSE 0,90-3,00

Peavy, Rowe, Tchobanoglous 0,20-0,40 <10

Azevedo Netto 0,25-0,50 0,75-1,50 3-4 300-900

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008) Cuando se diseñan escalones concéntricos, el área superficial corresponde al área de la plataforma mayor. Cuando se trata de escalones longitudinales, el área superficial es la suma de las áreas de las “huellas” Para el diseño se requiere:

Establecer el tiempo de contacto

Determinar la altura de cada escalón y el número de plataformas o escalones

Establecer, a partir de una carga hidráulica escogida, el área superficial y las dimensiones

de las plataformas o escalones.

Determinar la altura total del aireador.

La ampliación del tema se encuentra en el siguiente enlace. http://es.scribd.com/doc/63456172/76/Transferencia-de-gases-aireacion Aireadores de bandejas Corresponden a un sistema de bandejas con perforaciones en su parte inferior, colocadas en forma sucesiva con intervalos de 30 a 75 cm. El ingreso del agua es por la parte superior y debe distribuirse a través de una tubería perforada, debiendo caer a la primera bandeja y asi sucesivamente, ver Fig. 89. Los orificios practicados en cada bandeja serán circulares con diámetros de 5 – 12 mm con una separación de 2.5 cm entre ellos.

http://es.scribd.com/doc/63456172/76/Transferencia-de-gases-aireacion

227

Fig. 89. Aireador de bandejas

Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005)

Como en los aireadores de cascadas, el tiempo de contacto de pende de la altura de caída, de modo que se utiliza la misma ecuación, teniendo en cuenta que ahora n corresponde al número de bandejas y h a la separación libre entre ellas. Igualmente, el área superficial se obtiene a partir de la ecuación del área para aireadores de cascada, y corresponde a la suma de las áreas de las bandejas. Para el cálculo de las perforaciones se utiliza la ecuación de descarga a través de un orificio.

𝑄𝑜 = 𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔ℎ´ Qo = caudal descargado por un orificio, m

3/s

Cd = Coeficiente de descarga Ao = Area del orificio, m

2

h´ = altura de la lámina de agua sobre la bandeja (alrededor de 0.15m) Algunos criterios de diseño se presentan en la Tabla 52

Tabla 52. Criterios de diseño para aireadores de bandejas.

228

Criterio

Número bandejas

n

Separación bandejas, h

(m)

Lecho contacto Perforaciones

CH (m

3/m

2*d)

Altura (m)

φ (cm)

φ (pulg)

separ. (cm)

Asce-Awwa-CSSE 3,0-9,0 0,30-0,75 550-1.800

Insfopal-Awwa 3,0-5,0 0,30-0,75 0,20-0,30 5-15 3/16''-1/4'' 2,5 300-900

Azevedo Netto 4 0,40-0,60 300-900

RAS 2000 3,0-5,0 0,30-0,75 0,15-0,30 5-15 <100

Otros >3 <0,30 0,15-0,30 4-15 3/16''-1/2'' 2,5-7,5

Los pasos para el diseño son semejantes a los del aireador de cascada. DIFUSORES DE AIRE La aireación difusa es la inyección de gas, aire u oxígeno, bajo presión, por la parte inferior de la superficie libre del fluido. Esta aplicación se realiza a través de medios porosos conocidos como difusores, que producen burbujas de diámetros muy pequeños. Los preferidos son los de poro fino (2 a 5 mm), seguidos por los de poro semifino (6 a 10 mm) y los de burbuja gruesa (>10 mm). Pueden transferir de 0,3 kg O2/kW*h a 1,2 kg O2/kW*h, siendo usados, especialmente en depuradoras pequeñas con tanques que tienen profundidades entre 2,5 y 5,0 m, con anchos entre 3 a 9 metros. La relación ideal ancho/profundidad de estos tanques debe ser menor a 2, con el fin de asegurar una aireación efectiva y una mezcla apropiada. Principios de diseño: La velocidad inicial de una gota que sale de una boquilla está dada por:

𝑉𝑜 = 𝐶𝑣√2𝑔𝐻

Donde. Vo = Velocidad a la salida de la boquilla, m/s Cv = Coeficiente de velocidad g = Aceleración de la gravedad, m/s

2

H = Cabeza de energía total en la boquilla, m El caudal descargado por la boquilla está dado por:

𝑄𝑜 = 𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔𝐻

Dónde: Qo = Caudal descargado por una boquilla, m

3/s

Cd = Coeficiente de descarga Ao = Area de la abertura en la boquilla, m

2

Tiempo de exposición teórico Se obtiene mediante la fórmula

229

𝑡 = 2𝐶𝑣𝑠𝑒𝑛𝜃√2𝐻

𝑔= 2

𝑉𝑜𝑠𝑒𝑛𝜃

𝑔

Siendod el ángulo de inclinación de la boquilla con respecto al plano horizontal. Las distancias verticales y horizontales alcanzadas por los chorros de obtiene de las ecuaciones de tiro parabólico:

𝑌𝑚𝑎𝑥 =(𝑣𝑜𝑠𝑒𝑛𝜃)2

2𝑔

Y 𝑋𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑜 𝑡 𝐶𝑜𝑠𝜃

O también

𝑋𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑜2 𝑆𝑒𝑛𝜃

𝑔

Los principales criterios de diseño se resumen en la Tabla 53

Tabla 53. Criterios de diseño de aireadores por aspersión

Criterio

φ boquillas

(cm) Q/boquilla (L/s) H (m.c.a.)

Separación boquillas

(m)

Asce-Awwa-CSSE 2,5-3,8 4,5-9,5 7 0,6-3,7

Peavy, Rowe, Tchobanoglous 2,54 (1'') 5-10 7 0,6-3,5

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008) En líneas generales el diseño consiste en:

Establecer el tiempo de contacto.

Determinar la carga hidráulica necesaria para el tiempo de contacto dado en la boquilla

más desfavorable.

Establecer la velocidad del chorro a la salida de las boquillas

Determinar el caudal descargado por cada boquilla y el número de boquillas requerido.

Determinar la altura y la distancia horizontal que alcanzarán los chorros.

Establecer las dimensiones del tanque receptor, de acuerdo con la distribución escogida

para las boquillas.

230

10.3 . EJERCICIOS DE DISEÑO

10.4 Aireador de cascada

Diseñar un aireador de cascadas para una carga hidráulica de 600 m

3/m

2d, para la población de

San Pedro (Q=0.15m3/s), el tiempo de retención de 1 segundo.

Solución

a) Determino el número de escalones para una altura de 0.3m por escalón:

𝑛 = 𝑡 ∗ √𝑔

2 ∗ ℎ= 1𝑠 ∗

√9.81𝑚

𝑠22 ∗ .030𝑚

= 4.04 = 4𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠

b) El área de la plataforma mayor debe ser:

𝐴𝑜 =𝑄

𝐶𝐻=

0.15𝑚3𝑑

∗ 86400

600m3m2

∗ d= 21.6𝑚2

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

𝑏 = √21.6𝑚2

2= 3.28𝑚

Con lo cual tenemos que L=6.57m

231

10.5 AIREADOR DE BANDEJA

Diseñar un aireador de bandejas para los mismos parámetros (caudal, tiempo de contacto y carga hidráulica) del ejercicio anterior, con perforaciones de ¼” (Cd=0.85)

Solución

a) Determinar el número de bandejas con una separación de 0.45m.

𝑛 = 𝑡 ∗ √𝑔

2 ∗ ℎ= 1𝑠 ∗

√9.81𝑚

𝑠22 ∗ .045𝑚

= 3.3 = 3 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠

b) Cálculo del área de las bandejas

𝐴𝑜 =𝑄

𝐶𝐻=

0.15𝑚3𝑑

∗ 86400

600m3m2

∗ d= 21.6𝑚2

c) Área de cada bandeja

𝐴𝑏 =𝐴𝑜

𝑛=

21.6𝑚2

3= 7.2𝑚2

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

𝑙 = √7.2𝑚2 = 2.7𝑚 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑑𝑜

Con perforaciones de ¼” = 0.635 cm,

El área de cada orificio será Aorificio=π*d2/4

Aorificio = π*d2/4= π*0.635cm

2/4=0.317 cm

2= 3.167* 10

-5 m

2

e) Cálculo del caudal sobre cada bandeja, manteniendo una lámina de agua de 15 cm sobre las bandejas.

𝑄𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 ∗ √2 ∗ 𝑔 ∗ ℎ𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎

𝑄𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 0.85𝑚 ∗ 3.167 ∗ 10−5𝑚2 ∗ √2 ∗9.81𝑚

𝑠2∗ 0.15 = 4.6

10−5𝑚3

𝑠= 0.046𝐿/𝑠

232

f) Determinación del número de perforaciones

𝑁 =𝑄

𝑄𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠

=150𝐿/𝑠

0.046𝐿/𝑠= 3246 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

Si se reparten las perforaciones en 57 filas de 57 orificios cada una, se tendrán 3247 orificios.

Fig. 90. Diseño de bandejas de aireación

0,00635 2,35

0,4

5

0,00635

1,6

233

11 BIBLIOGRAFÍA

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