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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA DE
UNA PARROQUIA URBANA, PROVINCIA DE LOJA
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: MIGUEL EDUARDO VIRE SÁNCHEZ
QUITO
2015
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA DE
UNA PARROQUIA URBANA, PROVINCIA DE LOJA
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: MIGUEL EDUARDO VIRE SÁNCHEZ
TUTOR: ING. MARCO VINICIO ROSERO ESPÍN
QUITO
2015
ii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de tutor, luego del estudio y análisis realizado sobre el trabajo de grado presentado
por el señor MIGUEL EDUARDO VIRE SÁNCHEZ que titula DISEÑO DE LA PLANTA DE
POTABILIZACIÓN DEL AGUA DE UNA PARROQUIA URBANA, PROVINCIA DE
LOJA, sobre el particular informo que el trabajo de grado tiene valor académico y utiliza
conocimiento de la Ingeniería Química que han resuelto el problema y los objetivos planteados,
por lo que declaro mi conformidad con el mismo.
En la ciudad de Quito, a los 11 días del mes de agosto del 2015
Ing. Marco Vinicio Rosero Espín
Profesor Tutor
iii
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, MIGUEL EDUARDO VIRE SÁNCHEZ en calidad de autor del trabajo de grado realizado
sobre el DISEÑO DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA DE UNA
PARROQUIA URBANA, PROVINCIA DE LOJA, por la presente autorizo a la
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me
pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de
investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,
seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y
demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.
En la ciudad de Quito, a los 11 días del mes de agosto del 2015
Miguel Eduardo Vire Sánchez
CI. 1104499775
iv
DEDICATORIA
Dedico a Dios, a la Virgen del Cisne que junto
a mis tíos y abuelitos me dieron la fortaleza y
fe, que no dejaron que desista en la lucha y que
me acompañaron y ayudaron durante todo el
camino e hicieran posible este sueño.
A mi familia y especialmente a mis padres que
con su confianza, apoyo incondicional y
sacrificio hicieron posible cumplir esta meta tal
anhelada.
Este logro es por ustedes.
Miguel Eduardo
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios y Virgen del Cisne y a mis tíos y
abuelitos que desde el cielo me dieron la
fortaleza, sabiduría y la fe y poder cumplir mis
metas.
A mis padres por la motivación y ayuda en la
realización de este trabajo
Al Municipio del Cantón Olmedo por la
información proporcionada y la oportunidad de
realizar este proyecto y poder culminar una meta
más.
A los profesores Facultad de Ingeniería Química
por su labor de impartir sus enseñanzas,
experiencias y formar mis conocimientos para mi
vida profesional
A mi tutor de tesis, quien con sus conocimientos
y dirección hizo posible la culminación de este
trabajo
A todas las personas que de alguna forma me
brindaron su ayuda y consejos
Miguel Eduardo
vi
CONTENIDO
pág.
CONTENIDO .............................................................................................................................. vi
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................. xiii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. xv
LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................. xvi
LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................ xvii
RESUMEN ............................................................................................................................... xviii
ABSTRACT ............................................................................................................................... xix
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1
1. ESTUDIOS PRELIMINARES ................................................................................................ 3
1.1. Ubicación Geográfica ............................................................................................................ 3
1.2. Servicios Básicos ................................................................................................................... 4
1.3. Población Actual ................................................................................................................... 4
1.4. Dotación actual de agua potable ............................................................................................ 5
1.5. Tasa de crecimiento ............................................................................................................... 6
2. MARCO TEORICO ................................................................................................................. 7
2.1. Agua ...................................................................................................................................... 7
2.1.1. Fuentes subterráneas. ......................................................................................................... 7
2.1.2. Fuentes superficiales. ......................................................................................................... 8
2.2. Calidad del agua .................................................................................................................... 9
2.3. Características fisco químicas .............................................................................................. 9
2.3.1. Características físicas. ........................................................................................................ 9
vii
2.3.1.1. Turbiedad. ........................................................................................................................ 9
2.3.1.2. Sólidos y residuos. .......................................................................................................... 10
2.3.1.3. Sólidos totales................................................................................................................. 10
2.3.1.4. Color. .............................................................................................................................. 10
2.3.1.5. Olor y sabor.................................................................................................................... 11
2.3.1.6. pH. .................................................................................................................................. 11
2.3.2. Características químicas. ................................................................................................. 11
2.3.2.1. Aluminio. ........................................................................................................................ 11
2.3.2.2. Fosforo. .......................................................................................................................... 12
2.4. Procesos de tratamiento de potabilización de agua ............................................................. 12
2.4.1. Procesos químicos ............................................................................................................ 13
2.4.1.1. Precipitación química .................................................................................................... 13
2.4.2. Procesos físicos ................................................................................................................. 15
2.4.2.1. Sedimentación ................................................................................................................ 15
2.5. Desarenador. ........................................................................................................................ 23
2.5.1. Grado de eficiencia del desarenador ................................................................................ 24
2.5.1.1. Cálculo del factor T/t. .................................................................................................... 24
2.5.2. Clases de desarenadores. .................................................................................................. 24
2.5.2.1. Componentes del desarenador. ...................................................................................... 25
2.5.3. Criterios de diseño Desarenador ...................................................................................... 26
2.5.4. Tipos de desarenadores .................................................................................................... 26
2.6. Filtración ............................................................................................................................. 30
2.6.1. Tasas de filtración............................................................................................................. 30
2.6.2. Sistemas de filtración. ....................................................................................................... 30
2.6.3. Tipo de lecho filtrante. ...................................................................................................... 31
2.6.4. Características granulométricas del material filtrante. ................................................... 32
2.6.5. Lecho filtrante. .................................................................................................................. 33
2.6.6. Carga hidráulica disponible para la filtración. ................................................................ 35
2.6.7. Lavado del filtro. ............................................................................................................... 37
2.6.8. Fluidización de medios porosos. ....................................................................................... 38
viii
2.6.8.1. Expansión del lecho poroso. .......................................................................................... 39
2.6.9. Sistema de drenaje. ........................................................................................................... 41
2.6.9.1. Sistemas múltiples y laterales. ........................................................................................ 41
2.6.10. Frecuencia de los lavados. ............................................................................................. 42
2.6.11. Filtración directa. .......................................................................................................... 43
2.6.11.1. Parámetros admisibles para la filtración directa. ....................................................... 43
2.6.11.2. Limitaciones de la filtración directa. ........................................................................... 44
2.6.11.3. Concentraciones del producto químico empleadas en el proceso de filtración. ......... 45
2.6.11.4. Pretratamiento químico para filtración directa. ......................................................... 45
2.6.11.5. Tipos de filtración directa............................................................................................ 46
2.6.12. Desinfección. .................................................................................................................. 47
2.6.12.1. Cloración. .................................................................................................................... 47
2.6.12.2. Características del cloro como desinfectante .............................................................. 47
2.6.12.3. Factores que influyen en la desinfección. .................................................................... 48
2.6.12.4. Reacciones del cloro en el agua. ................................................................................. 48
2.6.12.5. Cálculo de la cantidad de cloro activo de acuerdo con las especies usadas. ............. 49
3. PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................... 50
3.1. Proceso experimental........................................................................................................... 50
3.1.1. Recolección de datos generales para el diseño del Proyecto: .......................................... 50
3.1.2. Análisis de la calidad del agua. ........................................................................................ 50
3.2. Análisis de laboratorio ......................................................................................................... 51
3.2.1. Análisis físico-químico y biológico del agua cruda ......................................................... 51
3.3. Tratamiento para el agua cruda ........................................................................................... 53
3.3.1. Pretratamiento. ................................................................................................................. 53
3.3.2. Tratamiento primario ........................................................................................................ 53
3.3.3. Tratamiento Secundario .................................................................................................... 53
3.4. Tratamiento ......................................................................................................................... 54
3.4.1. Precipitación química ....................................................................................................... 54
3.4.1.1. Determinación experimentar de la concentración de cal 0.1% p/v
ix
para la precipitación del P-fosfato y la del ion aluminio presentes en el agua cruda. .............. 55
3.4.2. Filtración. ......................................................................................................................... 55
3.4.2.1. Unidad experimental “Filtro de gravedad de arena”.................................................... 56
3.4.2.2. Espesor de las capas soporte y medio filtrante .............................................................. 56
3.5. Procedimiento para la evaluación del filtro ......................................................................... 57
3.5.1. Velocidades de lavado. ..................................................................................................... 57
3.5.1.1. Determinación experimental de la velocidad de lavado contracorriente ...................... 57
3.5.1.2. Cálculo de la velocidad de lavado ................................................................................. 58
3.5.1.3. Cálculo del caudal de lavado ......................................................................................... 59
3.5.2 Expansión del lecho de arena. ........................................................................................... 59
3.5.2.1. Determinación experimental de la expansión de la arena ............................................. 60
3.5.2.2. Cálculo de la expansión de la arena .............................................................................. 61
3.5.3. Tasa de filtración. ............................................................................................................. 61
3.5.3.1. Determinación experimental de la tasa de filtración con carga
hidrostática constante ................................................................................................................ 61
3.5.3.2. Cálculo de la tasa de filtración ..................................................................................... 62
3.5.4. Tiempo de lavado del lecho filtrante. ................................................................................ 63
3.5.4.1. Determinación experimental del tiempo de lavado ........................................................ 63
3.5.5. Calidad del agua filtrada luego del lavado. ..................................................................... 64
3.5.5.1. Determinación experimental del tiempo de drenaje....................................................... 64
3.5.6. Carrera de filtración y pérdidas de presión ..................................................................... 65
3.5.6.1. Muestra de agua cruda para la experimentación de la carrera de filtración. ............... 65
3.5.6.2. Determinación de la carrera de filtración y de las pérdidas de presión........................ 66
3.6. Demanda de cloro ................................................................................................................ 67
3.6.1. Determinación del cloro residual ..................................................................................... 67
4. BASES DE DISEÑO ............................................................................................................. 70
4.1. Generalidades ...................................................................................................................... 70
4.2. Población futura o de diseño ............................................................................................... 71
4.3. Cálculo de la población actual ............................................................................................. 72
x
4.3.1. Método aritmético. ............................................................................................................ 72
4.3.2. Método geométrico. .......................................................................................................... 73
4.4. Cálculo de la población futura ............................................................................................. 73
4.4.1. Población actual (agosto 2012) ........................................................................................ 73
4.5. Dotación de agua potable .................................................................................................... 74
4.6. Variaciones de consumo ...................................................................................................... 75
4.6.1. El consumo medio diario ................................................................................................. 75
4.6.2. Caudal máximo diario (QMD). ......................................................................................... 75
4.6.3. Caudal máximo horario .................................................................................................... 76
4.7. Caudales de diseño .............................................................................................................. 76
4.7.1. Caudales de diseño para los elementos del sistema de agua potable ............................... 77
4.7.1.1. Cálculo del caudal de diseño para la planta de tratamiento de agua potable ............... 77
4.7.1.2. Cálculo del caudal de diseño para la captación de aguas superficiales ....................... 77
4.7.1.3. Cálculo del Caudal de diseño para la conducción......................................................... 78
4.7.1.4. Cálculo del caudal de diseño para la red de distribución ............................................. 78
4.8. Volumen de almacenamiento .............................................................................................. 78
4.8.1. Cálculo del volumen de almacenamiento ......................................................................... 79
4.9. Caudales de diseño para el proyecto.................................................................................... 80
4.10. Volumen promedio de agua cruda en la vertiente ............................................................. 80
5. CÁLCULOS........................................................................................................................... 81
5.1. Cálculos de las unidades del sistema de agua potable ......................................................... 81
5.2. Diseño de unidades .............................................................................................................. 82
5.2.1. Desarenador rectangular de flujo horizontal. .................................................................. 82
5.2.1.1. Parámetros de diseño ..................................................................................................... 83
5.2.1.2. Cálculo de la velocidad de sedimentación ..................................................................... 83
5.2.1.3. Cálculo del tiempo de sedimentación ............................................................................. 84
5.2.1.4. Cálculo del tiempo de retención hidráulico en el desarenador. .................................... 85
5.2.1.5. Cálculo del volumen del desarenador ............................................................................ 85
5.2.1.6. Cálculo del área superficial del desarenador ................................................................ 85
xi
5.2.1.7. Cálculo de la carga hidráulica superficial en el desarenador ....................................... 86
5.2.1.8. Cálculo de las dimensiones del desarenador ................................................................. 87
5.2.1.9. Cálculo de la velocidad horizontal en el desarenador ................................................... 88
5.2.1.10. Cálculo de la velocidad máxima horizontal en el desarenador................................... 88
5.2.1.11. Cálculo de la zona de lodos ......................................................................................... 89
5.2.1.12. Cálculo del tiempo de desagüe del desarenador ......................................................... 90
5.2.1.13. Diseño de la zona de salida ......................................................................................... 91
5.2.1.14. Cálculo del diámetro de conducción desde la cámara de mezclado
hasta el reservorio del filtro rápido. ........................................................................................... 93
5.2.1.15. Diseño de la zona de entrada ...................................................................................... 94
5.2.1.16. Cámara de aquietamiento de la captación .................................................................. 96
5.2.2. Diseño de la unidad de Filtración Directa ......................................................................... 96
5.2.2.1. Parámetros de diseño. .................................................................................................... 97
5.2.2.1.1. Cálculo del área superficial ........................................................................................ 97
5.2.2.1.2. Cálculo de las dimensiones del filtro ........................................................................... 97
5.2.2.1.4. Sistema de drenaje. Para el sistema de drenaje se utilizara sistema múltiple y laterales ....... 99
5.2.2.1.4.1. Tubos laterales .......................................................................................................... 99
5.2.2.1.4.2. Tubo colector .......................................................................................................... 102
5.2.2.2. Canal de recolección del agua de lavado .................................................................... 103
5.2.2.3. Cálculo de la expansión durante el lavado del medio filtrante. ................................... 104
5.2.2.3.1. Cálculo del diámetro equivalente de la capa estratificada más fina del
lecho filtrante. ........................................................................................................................... 105
5.2.2.3.2. Cálculo del número de Reynolds ............................................................................... 105
5.3 Dosificación de productos químicos .................................................................................... 108
5.3.1. Solución de cal. ............................................................................................................... 108
5.3.2. Desinfección. ................................................................................................................... 109
6. RESULTADOS .................................................................................................................... 110
6.1. Caudales de diseño ............................................................................................................ 110
6.2. Dimensiones de la unidad desarenadora .......................................................................... 110
xii
6.2.1. Dimensiones de la cámara de mezclado ......................................................................... 111
6.3. Dimensiones del filtro ....................................................................................................... 111
6.4. Resultados de la evaluación de la unidad de filtro piloto .................................................. 112
6.5. Desinfección del agua tratada ............................................................................................ 113
6.6. Pérdidas de carga del medio filtro .................................................................................... 114
7. DISCUSIÓN ........................................................................................................................ 116
8. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 118
9. RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 120
CITAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... 121
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 123
ANEXOS................................................................................................................................... 124
xiii
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Recuento poblacional (Encuesta) .................................................................................... 4
Tabla 2. Población Actual ............................................................................................................. 5
Tabla 3. Consumo de agua potable ............................................................................................... 5
Tabla 4. Tasa de crecimiento......................................................................................................... 6
Tabla 5. Principales diferencias entre aguas superficiales y aguas profundas .............................. 8
Tabla 6. Relación entre diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación. .................... 18
Tabla 7. Valor es de coeficiente de arrastre ................................................................................ 20
Tabla 8. Valores del coeficiente de esfericidad ........................................................................... 21
Tabla 9. Grado de eficiencia de sedimentación del desarenador, número de Hazen .................. 24
Tabla 10. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación .................................... 30
Tabla 11. Lecho filtrante simple de arena sola ............................................................................ 33
Tabla 12. Lecho filtrante doble de arena y antracita ................................................................... 34
Tabla 13. Criterios para seleccionar la antracita en función de las características de la arena ... 34
Tabla 14. Propiedades de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular ................... 35
Tabla 15. Valores normales de materiales filtrantes ................................................................... 35
Tabla 16. Modalidades del lavado de filtros ............................................................................... 42
Tabla 19. Parámetros físico químicos ideales para la filtración directa ...................................... 44
Tabla 20. Parámetros físico químicos ideales para la filtración directa ...................................... 44
Tabla 19. Tipos de Filtración directa .......................................................................................... 46
Tabla 20. Caracterización físico-química y microbiológica del agua cruda ............................... 51
Tabla 21. Concentraciones de fosfato y aluminio después del tratamiento ................................ 55
Tabla 22. Espesor de la capa soporte y medio filtrante ............................................................... 56
Tabla 23. Tiempos que tarda en subir el nivel de agua por la unidad de filtración ..................... 58
Tabla 24. Velocidad y caudal de lavado .................................................................................... 59
Tabla 25. Porcentaje de expansión de la arena ............................................................................ 61
Tabla 26. Caudales para una abertura de 15° de la válvula del agua filtrada .............................. 62
Tabla 27. Velocidad de filtración ................................................................................................ 62
xiv
Tabla 28. Turbiedad del proceso de lavado del filtro .................................................................. 63
Tabla 29. Turbiedad luego de realizado el retrolavado ............................................................... 64
Tabla 30. Preparación del agua cruda ......................................................................................... 65
Tabla 31. Evaluación de la carrera de filtración. ......................................................................... 66
Tabla 32. Variación de cloro residual con el tiempo ................................................................... 68
Tabla 33. Vida útil de los componentes del proyecto ................................................................. 70
Tabla 34. Tasas de crecimiento poblacional ............................................................................... 71
Tabla 35. Número de habitantes por barrios de la parroquia urbana del cantón Olmedo ........... 71
Tabla 36. Personal estudiantil y flotante ..................................................................................... 72
Tabla 37. Dotaciones recomendadas ........................................................................................... 74
Tabla 38. Caudales de diseño para los elementos de un sistema de agua potable....................... 77
Tabla 39. Caudales de diseño del proyecto ................................................................................. 80
Tabla 42. Dimensiones de la cámara de mezcla .......................................................................... 93
Tabla 41. Porosidad expandida de cada capa de arena del lecho filtrante ................................ 107
Tabla 42. Caudales de diseño .................................................................................................... 110
Tabla 43. Dimensiones del desarenador .................................................................................... 110
Tabla 44 Zona de lodos ............................................................................................................. 110
Tabla 45 Dimensiones de la zona de entrada ............................................................................ 111
Tabla 46 Dimensiones de la zona de salida ............................................................................... 111
Tabla 47 Dimensiones de la cámara de mezcla ......................................................................... 111
Tabla 48 Dimensiones del filtro ................................................................................................ 111
Tabla 49 Dimensiones de la zona de entrada ............................................................................ 112
Tabla 50 Dimensiones del sistema de drenaje del filtro ............................................................ 112
Tabla 51 Dimensiones del canal de lavado ............................................................................... 112
Tabla 52 Velocidad y caudal de lavado .................................................................................... 112
Tabla 53 Porcentaje de expansión de la arena ........................................................................... 113
Tabla 54 Cloro residual en función del tiempo del agua tratada ............................................... 113
Tabla 55 Pérdidas de carga del medio filtrante en función de tiempo de carrera del filtro ....... 114
xv
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Mapa político de la provincia de Loja ........................................................................... 3
Figura 2. Representación del logaritmo de la concentración en función del pH para
el hidróxido de aluminio ............................................................................................................. 14
Figura 3. Concentración en función de pH para compuesto de fosforo ...................................... 15
Figura 4. Formación de sales de fosforo de aluminio hierro y calcio en función del pH ............ 15
Figura 5. Fuerza actuantes en una partícula ................................................................................ 16
Figura 6. Velocidad de sedimentación de partículas discretas en agua ....................................... 19
Figura 7. Trayectoria ideal de partículas discretas ...................................................................... 23
Figura 8. Componentes de un desarenador ................................................................................. 25
Figura 9. Sedimentadores horizontales de forma rectangular ..................................................... 27
Figura10. Sedimentadores estáticos circulares ............................................................................ 28
Figura 11. Sedimentadores estáticos de flujo vertical ................................................................. 28
Figura 12. Sedimentadores estáticos de flujo helicoidal ............................................................. 29
Figura 13. Dirección de flujo en el proceso de filtración ............................................................ 31
Figura 14. Distribución de medios filtrantes ............................................................................... 31
Figura15. Variación de la pérdida de carga en función de (L) y (t) ............................................ 36
Figura16. Iniciación de lavado de un filtro rápido ...................................................................... 37
Figura17. Pérdida de carga versus velocidad de lavado .............................................................. 38
Figura 18. Porosidad del lecho expandido (Ei) en función del relación del número
de Reynolds (Re) con el número de Galileo (Ga) para Ce = 0,80 ............................................... 40
Figura 19. Sistema de drenaje de múltiples y laterales .............................................................. 41
Figura 20. Formas importantes de cloro en la cloración del agua ............................................... 49
Figura 21. Diagrama de bloques del proceso para el tratamiento del agua cruda. ...................... 54
Figura 22. Porosidad del lecho expandido (Ei) en función del número de Galileo (Ga)
y del número de Reynolds (Re) para Ce = 0,90 ........................................................................ 106
xvi
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Cloro libre residual del agua tratada en función del tiempo ...................................... 69
Gráfico 2. Cloro residual del agua tratada en función del tiempo ............................................. 114
Gráfico 3. Pérdidas de carga del medio filtrante en función de tiempo de carrera ................... 115
xvii
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Ensayos de Tratabilidad ........................................................................................ 125
ANEXO B. Ensayos en unidad piloto ....................................................................................... 126
ANEXO C. Diagrama de flujo del tratamiento del agua ........................................................... 129
ANEXO D. Desarenador ........................................................................................................... 130
ANEXO E. Filtro rápido de arena ............................................................................................. 131
ANEXO F. Sistema de drenaje del filtro ................................................................................... 132
ANEXO G. NORMA INEN 1108 ............................................................................................. 133
xviii
DISEÑO DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA PARA UNA
PARROQUIA URBANA, PROVINCIA DE LOJA
RESUMEN
Se diseña una planta de potabilización para satisfacer la demanda de la población actual y futura
(20 años), de una parroquia urbana de la provincia de Loja.
Para ello, se parte de la caracterización físico químico y microbiológico del agua cruda y se
determina el tipo de tratamiento a realizar que comprende los siguientes procesos o unidades:
desarenador, precipitación con una solución de cal, filtración y desinfección con hipoclorito de
calcio. En el laboratorio se realizaron ensayos para determinar la mejor dosificación de la
solución de cal, de hipoclorito de calcio y el tiempo de sedimentación, se simulo el proceso de
filtración en una unidad piloto determinándose: tasa de filtración, tiempo de filtración, tiempo y
velocidad de lavado del lecho.
Con los mejores resultados obtenidos: un tiempo de sedimentación de 20 minutos en el
desarenador, 10 ppm de solución de cal 0.1% p/v, 2 ppm de hipoclorito de calcio 0.1% p/v, una
tasa de filtración de 127,84 m3/día/m
2, se diseñaron las unidades de la planta para un caudal de
3,03 L/s para que cumplan con los parámetros establecidos en la Norma INEN 1108.
PALABRAS CLAVES: /AGUA POTABLE/ TRATAMIENTO DEL AGUA/ PLANTAS DE
TRATAMIENTO/ NORMAS INEN/ DISEÑO/
xix
DESING OF A WATER PURIFICATION PLANT FOR AN URBAN PARISH, THE
PROVINCE OF LOJA
ABSTRACT
A water treatment plant is designed to meet the demand of current and future population (20
year) of an urban in the province of Loja.
To do this, it starts with the chemical and microbiological physical characterization of war water
and the type of treatment is determined by the performing processes comprising the following
unit: sand trap, precipitation with lime solution, filtration and disinfection with calcium
hypochlorite. In the laboratory test were conducted to determine the best dosage of lime
solution, calcium hypochlorite and the settling time; the filtration process was simulated in a
pilot unit which determined: filtration rate, filtration time, time and speed washing the water bed
The best result obtained were: settling time of 20 minutes in the sand trap, 10 ppm of lime
solution 0.2W w/v, 2 ppm calcium hypochlorite 0,1% w/v, a filtration rate of 127,83
m3/day/m2, the units of the plant were designed for a throughput of 3,03 L/s to comply with the
parameters established in the Standard INEN 1108
Keywords: /POTABLE WATER/ WATER TREATMENT/ TREATMENT PLANTS/ INEN
STANDARDS/ DESIGN/
1
INTRODUCCIÓN
La deficiencia de agua potable, ha determinado que habitantes de pequeños pueblos, que en su
mayoría carecen de tratamiento del agua, estén expuesto a enfermedades que son transmitidas
por el agua, por lo que existe una gran preocupación por el agua que se distribuye para su
consumo en la parroquia urbana del cantón Olmedo provincia de Loja.
En la actualidad debido al crecimiento desorganizado de la población y al aumento de la
demanda del agua, existen sectores los cuales cuentan con agua por horas para su consumo por
lo que existe inconformidad del servicio que se les proporciona, por esta razón y también el
mejoramiento de la calidad del agua que se distribuye, es la necesidad de implementar un
sistema de tratamiento de agua potable adecuado para el agua disponible en la zona
Para esto se determinó las características físicas químicas y microbiologicas, para proponer un
tratamiento adecuado para el tipo de agua cruda obtenida. En el laboratorio se realizó la
precipitación de los compuestos cuyos parámetros no están dentro del límite permitido por la
NORMA INEN 1108, esto se lo hizo modificando el pH con una solución de cal al 0.1%,
determinando la dosificación adecuada para disminuir la solubilidad de los compuestos para que
precipiten, reduciendo su concentración. Se determinó el tiempo de sedimentación, midiendo la
turbiedad, color y solidos suspendidos de una muestra de agua cruda durante un tiempo de 30
minutos, tomando muestras cada 5 minutos, obteniéndose como tiempo de sedimentación de 20
minutos, tiempo en el cual las condiciones permanecen contantes (color, turbiedad y solidos
totales suspendidos). La desinfección se la realizo con una solución de hipoclorito de calcio la
que fue dosificada a diferentes concentraciones en el agua tratada, midiendo la cantidad de cloro
residual cada 5 minutos durante 30 minutos y obteniendo como dosis optima de cloro cuyo
valores estén entre 0,3 y 1,5 ppm rango establecido en la norma, garantizando la desinfección en
la distribución del agua potable
También se realizó la experimentación del proceso de filtración para lo cual se empleó en una
unidad piloto de similares características a la diseñada, el tiempo de filtración se lo realizo por
30 horas, para la experimentación se simulo las condiciones del agua cruda (turbiedad, color y
solidos suspendidos)
2
En la unidad piloto se determinó tiempo de filtración; tiempo, caudal y velocidad del lavado del
lecho filtrante de tal forma que la expansión del lecho filtrante este en un 30 a 50% de la altura
total del lecho, evitando que esta se vaya durante el lavado.
También se determinó las pérdidas de carga que se producen en el filtro durante el proceso de
filtración
Se propone las siguientes unidades y procesos para la potabilización del agua, garantizando la
calidad del agua a distribuirse en la población: captación, desarenador del flujo horizontal,
mezcla rápida con solución de cal 0,1 % p/v, filtración y desinfección con hipoclorito de calcio
Con los resultados obtenidos se diseña las unidades de la planta para un caudal de 3,03 L/s y
una tasa de filtración de 127,84 m3/día/m
2. Con lo que se concluye que el agua obtenida del
tratamiento cumple con los parámetros establecidos en la norma INEN 1108
3
1. ESTUDIOS PRELIMINARES
1.1. Ubicación Geográfica
La ciudad de Olmedo se ubica al Sur Oeste de la República del Ecuador, en la cabecera
cantonal de Olmedo, se encuentra ubicada al centro y Nor-occidente de la provincia de Loja y
en la parte central del cantón Olmedo. Tiene una distancia aproximada a la ciudad de Loja de
92.5 Km. Para viajar de Loja, se cuenta con vía de primer orden en el tramo Loja-Catamayo-La
Yee (entrada a Olmedo), y de segundo orden desde la Yee (entrada a Olmedo) hasta Olmedo.
Figura 1. Mapa político de la provincia de Loja
Datos Generales.
Límites: Limita al norte con el cantón Chaguarpamba, al este con el cantón Catamayo, al sur
y al oeste con el cantón Paltas.
Distancia: desde la ciudad de Loja 92.5 km.
Temperatura: La temperatura media anual oscila entre los 18° y 22°C.
Altitud: 1.050m.s.n.m.
División política: Este cantón tiene 1 parroquia urbana, 1 parroquia rural y 24 barrios.
Parroquia Urbana: Olmedo.
Parroquia Rural: La Tingue.
4
Población: La población de Olmedo entre la urbana y rural es de 6368 habitantes. La zona
presenta características topográficas muy irregulares, con pendientes mayores a 48%. La
población se ha organizado con un relativo diseño urbanística, la mayoría de las viviendas se
encuentra a un costado de las vías que van tanto a la Y de Olmedo y al cantón Chaguarpamba.
1.2. Servicios Básicos
La cabecera cantonal dispone de agua tratada deficiente, alcantarillado sanitario en malas
condiciones, energía eléctrica y telefonía; no así la parroquia de La Tingue la cual carece de
estos servicios, disponiendo en su lugar el servicio de agua entubada. Población
económicamente activa: los pobladores de este joven cantón se dedican en su mayoría a la
agricultura, especialmente al cultivo de productos de ciclo corto tales como el maíz, maní café,
etc. y un escaso sector a la ganadería y al comercio informal.
1.3. Población Actual
Datos proporcionados por el municipio del cantón Olmedo
Tabla 1. Número de habitantes por barrio
Número de habitantes por barrios: encuestas
Barrio Cantidad Htes
Sector : 01 ruta 01: 18 de noviembre 112
Sector : 01 ruta 02: 18 de noviembre 134
Sector: 01 ruta: 03 mons. Armijos 91
Sector: 01 ruta: 04 calle: mons. Armijos 43
Sector: 01 ruta: 05 av. Occidental 11
Sector: 01 ruta:: 06 c. Isidro ayora 28
Sector: 01 ruta: 07 c. 25 de octubre 70
Sector:01 ruta: 08 c. Sucre 84
Sector: 01 ruta: 09 vía chaguarpamba 190
Arriba de la planta de tratamiento 50
Subtotal vía a la yee de olmedo 51
TOTAL 864
5
Tabla 2. Población Actual de la parroquia urbana
CÁLCULO DE POBLACION ACTUAL(Agosto /2012)
Población encuesta 864
Población flotante(15% de p.f) 134,7
Total población actual (Pa) 999
1.4. Dotación actual de agua potable
Datos proporcionados por el municipio del cantón Olmedo
Tabla 3. Consumo de agua potable de la parroquia urbana
6
1.5. Tasa de crecimiento
Datos proporcionados por el municipio del cantón Olmedo
Tabla 4. Tasa de crecimiento de la parroquia urbana
REGISTRO DE NACIDOS Y FALLECIDOS N-F
Nº datos N/F Año Nacidos(N) Fallecidos (F) Parcial Acumulada
1 2000 65 31 34 34
2 2001 89 31 58 92
3 2002 85 30 55 147
4 2003 89 39 50 197
5 2004 91 35 56 253
6 2005 79 22 57 310
7 2006 72 28 44 354
8 2007 75 29 46 400
9 2008 73 38 35 435
10 2009 66 34 32 467
11 2010 65 27 38 505
12 2011 62 35 27 532
13 2012 31 23 8 540
TOTAL 942 402 540
Fuente: Registro Civil del cantón Olmedo: Lcda. Asteria Armijos (TEC. B JEFE OLMEDO)
Fecha de entrega de documentación: 30 de agosto del 2012
TOTAL NACIDOS(N) 942 CENSO POBLACION Y
VIVIENDA 2010
TOTAL FALLECIDOS(F) 402 Cantón Olmedo
N-F 540 Categorías POBLACION
(N-F)/Nº 41,54 Hombre 2062
Mujer 2140
Población Censo 2010
cantón 4.202 Total 4.202
(N-F) 2010
540
Nº
13
K=(N-F) /Nº
41,5384615
Tasa de crecimiento ( r )=
K/P 0,99%
Tasa Crecimiento
adoptada 1,0%
7
2. MARCO TEORICO
2.1. 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 físico químicas como molécula bipolar sino
también a los constituyentes orgánico se inorgánicos que se encuentran en ella.
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 insolubles, coloides o simplemente partículas
dispersas de diferente tamaño y peso”.[1]
Las fuentes de abastecimiento de agua pueden ser:
subterráneas: manantiales, pozos, nacientes
superficiales: lagos, ríos, canales, etc.; y
pluviales: aguas de lluvia.
Para la selección de la fuente de abastecimiento deben ser considerados los requerimientos de la
población, la disponibilidad y la calidad de agua durante todo el año, así como todos los costos
involucrados en el sistema, tanto de inversión como de operación y mantenimiento.
2.1.1. Fuentes subterráneas. La captación de aguas subterráneas se puede realizar a través de
manantiales, galerías filtrantes y pozos, excavados y tubulares. Las fuentes subterráneas
protegidas generalmente están libres de microorganismos patógenos y presentan una calidad
compatible con los requisitos para consumo humano. Sin embargo, previamente a su utilización
es fundamental conocer las características del agua, para lo cual se requiere realizar los análisis
físico-químicos y bacteriológicos correspondientes.
8
2.1.2. Fuentes superficiales. Las aguas superficiales están constituidas por los ríos, lagos,
embalses, arroyos, etc.
La calidad del agua superficial puede estar comprometida por contaminaciones provenientes de
la descarga de desagües domésticos, residuos de actividades mineras o industriales, uso de
defensivos agrícolas, presencia de animales, residuos sólidos, y otros.
Tabla 5. Principales diferencias entre aguas superficiales y aguas profundas
Características Aguas superficiales Aguas profundas
Temperatura Variable según las estaciones
del año
Relativamente constante
Turbiedad, materias en
suspensión
Variables, a veces elevadas Bajas o nulas
Mineralización Variable en función de los
terrenos, precipitaciones,
vertidos, etc.
Sensiblemente constante,
generalmente mayor en las
aguas de superficie de la
misma región
Hierro y magnesio divalente
(estado disuelto)
Generalmente ausentes, salvo
en el fondo de causes de
aguas en estado de
eutrofización
Generalmente presentes
Gas carbónico agresivo Generalmente ausente Normalmente presente en gran
cantidad
Oxígeno disuelto Normalmente próximo a
saturación
Ausencia total en la mayoría
de los casos
Sulfuro de hidrogeno Ausente Normalmente presente
Sílice Contenido moderado Contenido normalmente
elevado
Nitritos Poco abundantes en general Contenido a veces elevado,
riegos de metemoglobinemia
Elementos vivos Bacterias (algunos de ellas
patógenas), Virus, plancton
Frecuentemente ferrobacterias
9
2.2. Calidad del agua
El término calidad del agua es relativo y solo tiene importancia universal si está relacionado con
el uso del recurso. Esto quiere decir que una fuente de agua suficientemente limpia que permita
la vida de los peces puede no ser apta para la natación y un agua útil para el consumo humano
puede resultar inadecuada para la industria. Para decidir si un agua califica para un propósito
particular, su calidad debe especificarse en función del uso que se le va a dar. Bajo estas
consideraciones, se dice que un agua está contaminada cuando sufre cambios que afectan su uso
real o potencial.
2.3. Características fisco químicas
2.3.1. Características físicas. Las características físicas del agua, llamadas así porque pueden
impresionara los sentidos (vista, olfato, etc), tienen directa incidencia sobre las condiciones
estéticas y de aceptabilidad del agua.
Se consideran importantes las siguientes:
- turbiedad
- sólidos solubles e insolubles
- color
- olor y sabor
- temperatura, y
- pH.
2.3.1.1. Turbiedad. La turbiedad es originada por las partículas en suspensión o coloides
(arcillas, limo, tierra finamente dividida, etcétera). La turbiedad es causada por las partículas
que forman los sistemas coloidales; es decir, aquellas que por su tamaño, se encuentran
suspendidas y reducen la transparencia del agua en menor o mayor grado.
En la práctica, la remoción de la turbiedad no es un proceso difícil de llevar a cabo en una planta
de clarificación de agua; sin embargo, es uno de los que más influye en los costos de
producción, porque, por lo general, requiere usar coagulantes, acondicionadores de pH,
ayudantes de coagulación, etc.
10
2.3.1.2. Sólidos y residuos. Se denomina así a los residuos que se obtienen como materia
remanente luego de evaporar y secar una muestra de agua a una temperatura dada. Según el tipo
de asociación con el agua, los sólidos pueden encontrarse suspendidos o disueltos.
Las partículas pueden estar:
- Disueltas (hasta un milimicrómetro), en cuyo caso físicamente no influirán en la turbiedad,
pero sí podrían definir su color u olor.
- Formando sistemas coloidales (1 a 1.000 milimicrómetro), que son las causantes de la
turbiedad neta del agua.
- En forma de partículas suspendidas (por encima de 1.000milimicrómetro), las cuales caen
rápidamente cuando el agua se somete a reposo.
- Es necesario aclarar que las pruebas analíticas para determinar las formas de los residuos no
determinan sustancias químicas específicas y solo clasifican sustancias que tienen
propiedades físicas similares y comportamiento semejante frente a las diferentes condiciones
ambientales.
2.3.1.3. Sólidos totales. Corresponden al residuo remanente después de secar una muestra de
agua. Equivalen a la suma del residuo disuelto y suspendido. El residuo total del agua se
determina a 103–105 ºC.
Equivalencias:
Sólidos totales = sólidos suspendidos + sólidos disueltos
Sólidos totales = sólidos fijos + sólidos volátiles
a) Sólidos disueltos o residuos disueltos. Mejor conocidos como sólidos filtrables, son los que
se obtienen después de la evaporación de una muestra previamente filtrada.
Comprenden sólidos en solución verdadera y sólidos en estado coloidal, no retenidos en la
filtración, ambos con partículas inferiores a un micrómetro (1 μ).
b) Sólidos en suspensión. Corresponden a los sólidos presentes en un agua residual,
exceptuados los solubles y los sólidos en fino estado coloidal. Se considera que los sólidos
en suspensión son los que tienen partículas superiores a un micrómetro y que son retenidos
mediante una filtración en el análisis de laboratorio.
2.3.1.4. Color. Esta característica del agua puede estar ligada a la turbiedad o presentarse
independientemente de ella.
11
En la formación del color en el agua intervienen, entre otros factores, el pH, la temperatura, el
tiempo de contacto, la materia disponible y la solubilidad de los compuestos coloreados.
Se denomina color aparente a aquel que presenta el agua cruda o natural y color verdadero al
que queda luego de que el agua ha sido filtrada. Existen muchos métodos de remoción del color.
Los principales son la coagulación por compuestos químicos como el alumbre y el sulfato
férrico a pH bajos y las unidades de contacto o filtración ascendente.
2.3.1.5. Olor y sabor. El sabor y el olor están estrechamente relacionados; por eso es común
decir que “A lo que huele, sabe el agua”. Estas características constituyen el motivo principal de
rechazo por parte del consumidor.
En términos prácticos, la falta de olor puede ser un indicio indirecto de la ausencia de
contaminantes, tales como los compuestos fenólicos. Por otra parte, la presencia de olor a
sulfuro de hidrógeno puede indicar una acción séptica de compuestos orgánicos en el agua.
Las sustancias generadoras de olor y sabor en aguas crudas pueden ser compuestos orgánicos
derivados de la actividad de microorganismos y algas o provenir de descargas de desechos
industriales.
En el agua se pueden considerar cuatro sabores básicos: ácido, salado, dulce y amargo.
2.3.1.6. pH. El pH influye en algunos fenómenos que ocurren en el agua, como la corrosión y
las incrustaciones en las redes de distribución. Aunque podría decirse que no tiene efectos
directos sobre la salud, sí puede influir en los procesos de tratamiento del agua, como la
coagulación y la desinfección.
Por lo general, las aguas naturales (no contaminadas) exhiben un pH en el rango de 5 a 9.
2.3.2. 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. Que para el presente proyecto lo principales son.,”[2]
2.3.2.1. Aluminio. Es un componente natural del agua, debido principalmente a que forma parte
de la estructura de las arcillas. Puede estar presente en sus formas solubles o en sistemas
coloidales, responsables de la turbiedad del agua. Las concentraciones más frecuentes en las
aguas superficiales oscilan entre 0,1 y 10 ppm.
12
El problema mayor lo constituyen las aguas que presentan concentraciones altas de aluminio, las
cuales confieren al agua un pH bajo, debido a sus propiedades anfóteras, que hacen que sus
sales se hidrolicen formando ácidos débiles.
Durante el tratamiento es posible remover las sales de aluminio solubles, mediante la formación
de hidróxido de aluminio. Sin embargo, es necesario tener mucho control del pH, pues si este
sube excesivamente, podría producirse la formación de aluminatos, nuevamente solubles. La
coagulación, en este caso, se realiza mediante polímeros orgánicos, por lo general aniónicos.
2.3.2.2. Fosforo. Las especies químicas de fósforo más comunes en el agua son los
ortofosfatos, los fosfatos condensados (piro-, meta- y polifosfatos) y los fosfatos orgánicos.
Estos fosfatos pueden estar solubles como partículas de detritus o en los cuerpos de los
organismos acuáticos. Es común encontrar fosfatos en el agua. Son nutrientes de la vida
acuática y limitante del crecimiento de las plantas. Sin embargo, su presencia está asociada con
la eutrofización de las aguas, con problemas de crecimiento de algas indeseables en embalses y
lagos, con acumulación de sedimentos, etcétera.
Para una buena interpretación de la presencia de fosfatos en las fuentes de aguas crudas, es
recomendable la diferenciación analítica de las especies químicas existentes en ellas.
La fuente principal de los fosfatos orgánicos son los procesos biológicos. Estos pueden
generarse a partir de los ortofosfatos en procesos de tratamiento biológico o por los organismos
acuáticos del cuerpo hídrico.
2.4. Procesos de tratamiento de potabilización de agua
Aguas crudas contaminadas requieren de un tratamiento para obtener aguas adecuadas para el
consumo humano. Es el conjunto de procesos FÍSICOS Y QUÍMICOS que se emplean con el
fin de eliminar o reducirla contaminación o las características no deseables de las aguas, bien
sean naturales (crudas), de proceso o residuales. Se conoce como agua potable o agua de
consumo humano al agua cruda que ha sido tratada con el objetivo de cumplir normas
(NORMA INEN 1108) que controlan la calidad de agua y que garanticen su consumo
Algunas especies biológicas, físicas y químicas pueden afectar la aceptabilidad del agua para
consumo humano.
13
a) Apariencia: turbiedad, olor, color y sabor, espuma.
b) Composición química: acidez, alcalinidad, aceites y grasas, compuestos orgánicos e
inorgánicos en general.
2.4.1. Procesos químicos
2.4.1.1. Precipitación química. “Consiste en la dosificación de determinados productos
químicos al agua a tratar, con el fin de llevar a cabo una reacción con un contaminante o grupo
de ellos, obteniéndose unos compuestos insolubles que por posterior sedimentación o filtración
son eliminados del medio. En algunos casos, la alteración es pequeña, y la eliminación se logra
al quedar atrapados dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el
propio coagulante. Otra consecuencia de la adición de productos químicos es el incremento neto
en los constituyentes disueltos del agua residual. Es necesario realizar ensayos en el laboratorio
para conocer el consumo de reactivos, y en consecuencia, llevar a cabo el diseño correcto de los
equipos de dosificación.” [3]
A lo largo de los años, se han empleado muchas sustancias y de diversa naturaleza, como
agentes de precipitación, las más comunes son:
- Sulfato de alúmina.- Al2(SO4)3·18H2O a Al2(SO4)3·14H2O
- Cloruro férrico.- FeCl3
- Sulfato férrico.- Fe2(SO4)3 o Fe2(SO4)3·3H2O
- Cal.- Ca(OH)2
El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de productos químicos que se
añade como del nivel de control de los procesos. Mediante precipitación química, es posible
conseguir efluentes clarificados básicamente libres de materia en suspensión o en estado
coloidal y se puede llegar a eliminar del 80 al 90 por 100 de la materia total suspendida, entre el
40 y el 70 por 100 de la DBO5, del 30 al 60 por 100 de la DQO y entre el 80 y el 90 por 100 de
las bacterias. Estas cifras contrastan con los rendimientos de eliminación de los procesos de
sedimentación simple, en los que la eliminación de la materia suspendida sólo alcanza valores
del 50 al 70 por 100 y en la eliminación de la materia orgánica sólo se consigue entre el 30 y el
40 por 100.
Las principales aplicaciones en el tratamiento de aguas se centra en la eliminación de: Fosfatos,
Compuestos tóxicos (metales pesados) y Fluoruros.
14
- Fosfatos: Se precipitan con sales de aluminio o hierro (generalmente sulfatos).
- Metales pesados: Se precipitan en medio básico con hidróxido cálcico. Se suele hacer a dos
niveles de pH:
pH = 8; Precipitan: Fe, Al, Cr3+
, Cu
pH = 10,5; Precipitan: Pb, Mn, Hg, Ni, Cd, Zn
- Fluoruros: Se precipitan con cal.
La solubilidad del ion aluminio en el agua está controlada por la insolubilidad del Al(OH)3,
dado que el valor de Kps del hidróxido de aluminio es de alrededor de 10-33
a temperatura
ambiente del agua.
( ) ( ) 1
El precipitado del hidróxido de aluminio que en realidad es AlO3xH2O tiene carga positiva a pH
< 7.6 y negativa a pH> 8.2. En el rango de pH entre 7.6 a 8.2 la carga superficial es mixta. A pH
de 4 predomina la especie Al3+
, mientras que a un pH de 9.0 predominan las especies aniónicas
Al(OH)4-
( ) ( ) 2
( ) ( )
3
Figura 2. Representación del logaritmo de la concentración en función del pH para el
hidróxido de aluminio
15
Figura 3. Concentración en función de pH para compuesto de fosforo
Figura 4. Formación de sales de fosforo de aluminio hierro y calcio en función del pH
2.4.2. Procesos físicos
2.4.2.1. Sedimentación
a) Sedimentación de partículas discretas. “Se llama partículas discretas aquellas partículas que
no cambian de características (forma, tamaño, densidad) durante la caída.
16
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.” [5]
b) 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 masivo en lugar de individual.
Expresiones de velocidad de sedimentación. El fenómeno de sedimentación de partículas
discretas por caída libre, también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por
medio de la mecánica clásica. 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. Imaginemos el caso de una partícula que se deja caer en el agua. Esta partícula
estará sometida a dos fuerzas: fuerza de flotación (FF), que es igual al peso del volumen del
líquido desplazado por la partícula (Principio de Arquímedes), y fuerza gravitacional (FG).
Figura 5. Fuerza actuantes en una partícula
Donde:
ρ= densidad del líquido
ρs= densidad del sólido
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:
17
( ) (1)
Donde:
Fi = fuerza resultante o fuerza de impulsión
Arrastrada por esta fuerza (Fi), 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)
Donde:
FR = fuerza de rozamiento
= energía cinética
A = área transversal al escurrimiento
Vs = velocidad de sedimentación
CD = coeficiente de arrastre
Después de un corto periodo, la aceleración pasa a ser nula y el valor de la fuerza de fricción
(FR) iguala a la de impulsión (Fi), momento en el cual la partícula adquiere una velocidad
constante, conocida como velocidad de asentamiento o sedimentación.
√
( )
(3)
(4)
√
( ) (5)
Donde:
V S = velocidad de sedimentación
d = diámetro de la partícula
g = aceleración de la gravedad
= densidad de la partícula
= densidad del fluido
18
Tabla 6. Relación entre diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación.
Material
Φ Limite
de las
partículas
(cm)
# de
Reynolds Vs Régimen Ley aplicable
Grava >1.0 >10000 100 Turbulento √ (
)
Newton
Arena
gruesa
0,1 1000 10
Transición
(
)
⁄
[
( )
⁄]
Allen
0,08 600 8,3
0,05 180 6,4
0,05 27 5,3
0,04 17 4,2
0,03 10 3,2
0,02 4 2,1
0,015 2 1,5
Arena
fina
0,01 0,8 0,8
Laminar
(
)
Stokes
0,008 0,5 0,6
0,006 24 0,4
0,004 1 0,3
0,003 1 0,2
0,002 1 0,13
0,001 1 0,06
0,015
Otra alternativa para la determinación de la velocidad de sedimentación es utilizando la
gráfica de la figura 6.
19
Figura 6. Velocidad de sedimentación de partículas discretas en agua
c) Coeficiente de arrastre. El coeficiente de arrastre de Newton es una función del Número de
Reynolds y de la forma de las partículas:
(6)
(7)
Donde:
Coeficiente de arrastre
a = constante específica
Re = número de Reynolds
= viscosidad cinemática (Stokes)
d = diámetro de la partícula
Vs = velocidad de sedimentación
Vel
oci
dad
de
sed
imen
taci
ón
(cm
/s)
Diámetro (cm)
20
Si d < 0,085 mm, Re < 1, entonces prevalece flujo laminar, siendo:
(8)
Remplazando en la ecuación de velocidad de sedimentación, se origina la ecuación de
Stokes:
( )
(9)
Cuando d > 1,0 mm, Re > 1.000, presenta flujo turbulento, para lo cual:
C D = 0,4
Remplazando en la ecuación de velocidad de sedimentación, conocida como la ecuación de
Newton.
√ ( ) (10)
Para los casos de diámetro de partículas comprendidas entre 0,85 y 1,0 mm y especialmente
números de Reynolds de 1 a 1.000, se presenta flujo de transición para el cual los valores de
C D son variables y su determinación puede realizarse a través de cualquiera de las
ecuaciones indicadas a continuación.
Tabla 7. Valores de coeficiente de arrastre
Autor Expresión
Rich
Hatch
Allen
Fair–Geyer–Okun
√
Schiller–Newman
( )
Goldstein
21
Partículas no esféricas. “Para casos de partículas no esféricas, la aplicación de las mismas
expresiones del modelo deducido para partículas esféricas presenta dificultades.
Según Fair, puede considerarse que tratándose de arena, para cada tamaño de partícula el
diámetro equivalente (de), es el de una esfera de igual volumen afectado por el factor de
forma, tal que:” [6]
(11)
= Diámetro equivalente
=Diametro de la partícula, estimado en la práctica por la abertura del tamiz
correspondiente.
El coeficiente de forma varía geométricamente, según Carma, para partículas de arena de
acuerdo a la forma de los granos.
Tabla 8. Valores del coeficiente de esfericidad
Descripción de la forma de los granos ψ
Esféricos 1.00
Redondeados 0.98
Desgastados 0.94
Agudos 0.81
Angulares 0.78
Triturados 070
En el caso de partículas de arena para los fines prácticos, sin embargo, la aplicación directa
para modelos matemáticos para partículas esféricas lleva a resultados indicativos
aproximados.
Velocidad del flujo o velocidad de escurrimiento. “Velocidad a partir de la cual
teóricamente puede empezar a ser arrastrada las partículas del fondo de un sedimentador.
La velocidad Vo debe ser tal que no acarree el arrastre de las partículas depositadas. La
velocidad Vo no debe superar la velocidad de escurrimiento máxima (V’o), definida por la
ecuación:” [7]
√
(12)
22
El número de Reynolds es calculado por la siguiente expresión:
(13)
(14)
Donde:
Rm = Radio hidráulico, cm
V 0 = Velocidad media del flujo de agua, cm/s
μ= Viscosidad, cm 2
a= área de la sección trasversal
p= perímetro mojado
√
( ) (15)
Donde:
k = Factor de forma
Vd= Velocidad de desplazamiento (cm/seg)
= Factor de rugosidad de la cámara
Ss = peso especifico
El coeficiente K varía entre 0.04, para sedimentadores de partículas discretas, y 0.06, para
sedimentadores de solidos floculentos.
d) Sedimentadores y decantadores estáticos. “En este tipo de unidades puede producirse
sedimentación o decantación, normalmente con caída libre, en régimen laminar turbulento o
de transición. En estas unidades la masa líquida se traslada de un punto a otro con
movimiento uniforme y velocidad V H constante. Cualquier partícula que se encuentre en
suspensión en el líquido en movimiento, se moverá según la resultante de dos velocidades
componentes: la velocidad horizontal del líquido (Vh)y su propia velocidad de
sedimentación(Vs).
En un sedimentador ideal de forma rectangular y con flujo horizontal, la resultante será una
línea recta. Asimismo, otras partículas discretas se moverán en lugares geométricos
23
paralelos. Estableciendo semejanzas entre los triángulos formados por las velocidades y las
dimensiones del decantador, donde (L) es la longitud y (H) la altura”[9]
Figura 7. Trayectoria ideal de partículas discretas
2.5. Desarenador.
“La mayoría de las fuentes superficiales de agua tienen un elevado contenido de materia en
estado de suspensión, siendo necesaria su remoción previa, especialmente en temporada de
lluvias.
Los procedimientos de separación de material muy grueso (rejillas: gruesas y finas) se realizan o
están relacionados a las captaciones. Se considera como pretratamientos y acondicionamientos
previos en la planta, a unidades como desarenadores y sedimentadores.
Los desarenadores tiene por objeto separar del agua cruda la arena y partículas en suspensión
gruesa, con el fin de evitar se produzcan depósitos en las obras de conducción, proteger las
24
bombas de la abrasión y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento” [4].
El desarenador tiene los siguientes elementos:
- Estructura de entrada.
- Cámara desarenadora
- Paredes de distribución, para uniformizar las velocidades de flujo del agua en toda la sección
de la cámara.
- Estructura de salida.
2.5.1. Grado de eficiencia del desarenador. “El grado de eficiencia del desarenador se obtiene
a través de la calificación de acuerdo a la eficiencia de las pantallas deflectoras” [8].
n = 1 Ausencia de pantallas
n = 2 Deflectores regulares
n = 3 Deflectores buenos
n = 5 - 8 Deflectores muy buenos
En este caso se escoge un valor de n = 1 ya que el sedimentador no posee pantallas deflectoras
n = 1
2.5.1.1. Cálculo del factor T/t. Corresponde a la relación entre el tiempo de retención en el
sedimentador (T) y el tiempo que requiere la partícula para llegar al fondo o también la relación
entre la velocidad de sedimentación efectiva (Vs) y la velocidad de sedimentación teórica (Vo).
Esta relación es más conocida como el Número de Hazen. Tabla 9
Tabla 9. Grado de eficiencia de sedimentación del desarenador, número de Hazen
Condiciones 88% 75% 60% 50%
n=1 7 3 1,5 1
n=3 2,75 1,66 - 0,76
n=4 2,37 1,52 - 0,73
Máximo teórico 0,88 0,75 - 0,5
2.5.2. Clases de desarenadores. En función de su operación se clasifican en:
Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son
dos operaciones simultáneas.
25
Desarenadores de lavado discontinuos (intermitente), que almacena y luego expulsa los
sedimentos en movimiento separados.
2.5.2.1. Componentes del desarenador. Esta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas.
Figura 8. Componentes de un desarenador
a) Zona de entrada. Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas
de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.
b) Zona de desarenación. Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de
partículas por acción de la gravedad.
c) Zona de salida. Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una
velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.
d) Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada. Constituida por una tolva con
pendiente mínima de 10% que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de
limpieza de los sedimentos.
26
2.5.3. Criterios de diseño Desarenador
- “El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 10 a20- años.
- El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de
caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar
con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento
- El periodo de operación es de 24 horas por día.
- Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al Desarenador para
asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada.
- La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´.
- La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor
turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).
- La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva pues
produce velocidades altas en los lados de la cámara.
- La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.
- La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente en régimen
laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0).
- La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de
Reynolds entre 1.0 y 1 000.
- La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de
Reynolds mayores de 1 000.” [10]
2.5.4. Tipos de desarenadores
Unidades de flujo horizontal. Estos sedimentadores se clasifican, de acuerdo con la forma
de su planta, en rectangulares, circulares y cuadrados.
Los decantadores o sedimentadores rectangulares tienen la forma y características detalladas
en la figura 7, con la ventaja de que permiten una implantación más compacta, aunque su
costo es más elevado. Normalmente, tienen una relación longitud/ancho comprendida entre 3
y 6 y una profundidad de 2,50 a 4,00 metros.
Generalmente, los desarenadores tienen forma rectangular.
27
Figura 9. Sedimentadores horizontales de forma rectangular
Fuente: CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
Capítulo 7. Lima-Perú. 2004. p. 28.
Los sedimentadores o decantadores de forma circular o cuadrada. Disponen
normalmente de una zona de entrada ubicada en el centro de la unidad. Están provistos
generalmente de una pantalla deflectora que desvía el agua hacia el fondo de la unidad. El
flujo en la zona de sedimentación es horizontal. Están provistos de canaletas (periféricas y/o
radiales) para la recolección de agua sedimentada. El fondo es inclinado hacia el centro de la
unidad, donde se ubica un sumidero para la recolección de lodos. La profundidad normal de
estas unidades está comprendida entre 2,00 y 3,50 metros.
En los diferentes tipos de unidades de flujo horizontal, la remoción de los lodos o sedimentos
puede hacerse en forma intermitente o continua.
28
Figura10. Sedimentadores estáticos circulares
Unidades de flujo vertical. Estas unidades tienen forma cilíndrica. La entrada del agua
cruda se realiza por el centro de la unidad en forma descendente. En la parte inferior está
ubicada la zona de lodos, que tiene forma cónica con pendiente de 45º a 60º, según la
naturaleza del agua y el tratamiento aplicado. La recolección del agua sedimentada se realiza
en la parte periférica superior de la unidad.
Figura 11. Sedimentadores estáticos de flujo vertical
Fuente: CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
Capítulo 7. Lima-Perú. 2004. p. 30.
29
Unidades de flujo helicoidal. Para tratar aguas con alto contenido de materiales en
suspensión o flóculos con alta velocidad de sedimentación, se recurre al uso de
sedimentadores de flujo helicoidal.
Estas unidades tienen forma circular. El flujo tangencial se logra mediante la combinación de
una tubería y canales periféricos con orificios de entrada de agua. Los orificios son
dimensionales y se disponen espaciados para permitir una distribución uniforme del agua en
el sedimentador. El canal recolector de agua sedimentada está ubicado en el centro del
sedimentador o en la periferia.
Figura 12. Sedimentadores estáticos de flujo helicoidal
Fuente: CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
Capítulo 7. Lima-Perú. 2004. p. 31.
30
2.6. Filtración
“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.
Los sistemas de filtración tratan el agua pasándola a través de medios granulares (p.ej., arena)
reteniendo los contaminantes. Su eficacia varía de acuerdo al medio filtrante, pero estos
sistemas se pueden utilizar para corregir problemas de turbidez y color, así también como
tratamiento para eliminar Giardia y Criptosporidium, bacterias y virus.”[11].
2.6.1. Tasas de filtración. “La tasa de filtración depende de varios factores como el tipo de
suspensión afluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímero
auxiliar, color verdadero, turbiedad, número de microorganismos, etc), granulometría y espesor
del medio filtrante, método de operación de los filtros, eficiencia del lavado, uso del agua
filtrada, etc.” [12]
Tabla 10. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación
Discriminación Tasa de filtración
(m3/m
2/día)
Filtración rápida descendente con tasa declinante
a)
De agua decantada, en medio filtrante único de arena
con tamaño efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm y espesor
alrededor de 0,80 metros.
120-150
b)
De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante
grueso y único, con espesor superior a un metro y
uso de polímero como auxiliar (filtración directa)
240-360
c)
De agua decantada en medio filtrante doble, con espesor
total inferior a 0,80 metros y buen nivel de operación y
mantenimiento)
240-360
2.6.2. Sistemas de filtración. Muchos son los sistemas de filtraciones propuestas y construidas;
sin embargo, se puede hacer una clasificación de acuerdo con la dirección de flujo, el tipo de
31
lecho filtrante, la fuerza impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la tasa de
filtración.
Dirección de flujo. De acuerdo con la dirección de flujo, los filtros pueden ser de flujo hacia
abajo, hacia arriba, o de flujo dual, como se esquematiza en la figura 13.
Figura 13. Dirección de flujo en el proceso de filtración
2.6.3. Tipo de lecho filtrante. Los filtros utilizan generalmente un solo medio, arena o antracita;
un medio dual, arena y antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y granate o ilmenita. La
figura 14 permite comparar los tres tipos de medios filtrantes comúnmente usados en
tratamientos de aguas.
Figura 14. Distribución de medios filtrantes
32
El medio filtrante debe seleccionarse de acuerdo con la calidad que se desea para el agua
filtrada. Adicionalmente, debe tenerse en cuenta la duración de la carrera de filtración
(capacidad de retención) y la facilidad de lavado. Un medio filtrante ideal es aquel de
granulometría determinada y cierto peso específico, que requiere una cantidad mínima de agua
para ser lavado de manera eficiente y que es capaz de remover la mayor cantidad posible de
partículas suspendidas, para producir un efluente de buena calidad.
La arena ha sido el medio filtrante comúnmente empleado. A pesar de producir un efluente de
mejor calidad, la arena de granulometría menor presenta una carrera de filtración más corta que
la de granulometría mayor. En todo caso, la estratificación de la arena se da en un filtro rápido
como consecuencia del lavado en contracorriente, con los granos de menor tamaño en las capas
superiores y los de mayor tamaño en las inferiores. El problema producido por la estratificación
puede controlarse usando arena con coeficiente de uniformidad próximo a la unidad y arena
preparada entre dos mallas consecutiva.
2.6.4. Características granulométricas del material filtrante. “Los materiales filtrantes deben
ser claramente especificados, de manera que no quede duda alguna sobre su granulometría. Los
parámetros que se deben emplear para este fin son los siguientes:
- Tamaño efectivo: en relación con el porcentaje (en peso acumulado) que pasa por las mallas
de una serie granulométrica, el tamaño efectivo se refiere al tamaño de granos
correspondiente al porcentaje de 10%.
- Coeficiente de uniformidad (CU): en relación con el porcentaje (en peso acumulado) que
pasa por las mallas de una serie granulométrica, el coeficiente de uniformidad es igual a la
relación entre el tamaño de los granos correspondientes a 60% y el tamaño de los granos
correspondiente a 10%.
- Sería mejor que este coeficiente se llamase (de) de uniformidad, pues su valor se incrementa
a medida que el material granular es menos uniforme.
- Forma: la forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de
esfericidad (Ce). El coeficiente de esfericidad de una partícula se define como el resultado de
la división del área superficial de la esfera de igual volumen a la del grano por el área
superficial de la partícula considerada. Como es obvio, este valor resulta igual a la unidad
para las partículas esféricas y menor de uno para las irregulares.
- Tamaño mínimo: tamaño por debajo del cual no deben encontrarse granos en el medio
filtrante.
- Tamaño máximo: tamaño por encima del cual no deben encontrarse granos en el medio
filtrante.
33
Cuando se trata de seleccionar el material para lechos múltiples, se debe hacerlo con el criterio
de obtener un grado de intermezcla que no disminuya sustancialmente la porosidad en la región
común entre las capas adyacentes de materiales diferentes. Específicamente para el caso de
lechos dobles de arena y antracita, se recomienda considerar las siguientes relaciones:
- El tamaño de los granos de antracita correspondiente a 90% en peso (referente al que pasa) y
el tamaño de los granos de arena correspondiente a10% en peso (referente al que pasa =
tamaño efectivo) deben mantener una relación de 3,0.
- El tamaño de los granos de antracita correspondiente a 90% en peso (referente al que pasa) y
el tamaño de los granos de antracita correspondiente a10% en peso (referente al que pasa)
deben mantener una relación de 2.
Normalmente, la antracita se prepara entre las mallas de la serie Tyler de aberturas 0,59 y 1,68 ó
2,00 mm, con un tamaño efectivo que varía entre 0,80 y1.10 mm, y un coeficiente de
uniformidad inferior a 1,5. La arena normalmente es preparada entre las mallas de aberturas
entre 0,42 y 1,19 ó 1,41 mm, con un tamaño efectivo que varía entre 0,50 y 0,60 mm y un
coeficiente de uniformidad inferior a 1,5.”[13]
2.6.5. Lecho filtrante. El lecho filtrante es la parte más importante de esta unidad, donde se
realiza el proceso. Todos los demás componentes son accesorios para poder operar y mantener
adecuadamente la unidad. El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o de
antracita y arena. Con el primero, la inversión es menor, pero al tener un lecho de arena sola se
requiere una velocidad de lavado mayor para obtener la misma expansión que cuando el lecho
es doble, por lo que resulta un número de filtros mayor.
Las tasas de filtración, en el caso de lechos de arena sola, varían en promedio entre 120 y 150
m3/m2/d.
Tabla 11. Lecho filtrante simple de arena sola
Características Símbolo Criterio
Espesor (cm)
Tamaño efectivo (mm)
Coeficiente de uniformidad
Tamaño más fino (mm)
Tamaño más grueso (mm)
L1
D10
CU
D90
60-80
0.50-0.80
≤1.5
0.42
2.0
34
Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usar una tasa promedio de
240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el área filtrante total necesaria para el mismo caudal, en
comparación con un lecho de arena sola, y el número de filtros de la batería resulta menor.
Tabla 12. Lecho filtrante doble de arena y antracita
Características Símbolo Arena Antracita
Espesor (cm)
Tamaño efectivo (mm)
Coeficiente de uniformidad
Tamaño más fino (mm)
Tamaño más grueso (mm)
L1
D10
CU
D90
15-30
0.50-0.60
≤1.5
0.42
1.41
45-60
0.80-1.10
≤1.5
0.59
2.0
La antracita debe seleccionarse en función de las características de la arena, por lo que esta
actividad debe iniciarse con la búsqueda y caracterización de la arena más conveniente, tanto
por sus características como por el costo del material y del flete. Será necesaria una muestra de
la arena y e lanálisis granulométrico correspondiente. Una vez conocidas las características de la
arena, se definirán las de la antracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 11.
Conocido el tamaño efectivo de la arena (D10), a través de la curva granulométrica levantada, el
tamaño correspondiente al D’90de la antracita será igual a tres veces el tamaño efectivo de la
arena (D10). El tamaño efectivo de la antracita (D’10) será igual a la mitad del tamaño
correspondiente al D’90de la antracita.
Tabla 13. Criterios para seleccionar la antracita en función de las características de la
arena
Características Símbolo Criterio
Tamaño correspondiente al 90% que pasa la malla
Tamaño efectivo (mm)
Espesor de la arena (cm)
Tamaño correspondiente al 60% que pasa la malla
D`90
D`10
L1
D`60
D`90=3D10
D`10= D`90/2
L2=2L1
D`60=1.5 D`10
La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la altura total, y la altura
correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total del lecho filtrante.
35
Tabla 14. Propiedades de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular
Características Arena
sílice
Carbón de
antracita
Carbón
activado
granular
Granate
Idaho
Densidad del material (ρs)
(g/cm3)
2.65 1.45-1.73 1.3-1.5 4.0-4.2
Porosidad (εo) 0.42-0.47 0.56-0.60 0.50 0.45-0.65
Esfericidad (Ce) 0.7-0.8 0.46-0.6 0.75 0.6
El espesor de la capa filtrante. “En una planta de tratamiento de agua con filtros de dos o
más capas, es relativamente difícil fijar un espesor de medio filtrante para el cual los filtros
funcionen constantemente en condiciones ideales, porque la calidad del afluente varía
considerablemente durante el año. La experiencia ha demostrado que existe una relación
entre el espesor de la capa de arena y la de antracita en un filtro de dos medios; en general, el
espesor de la capa de antracita representa de 60 a 80%; y la arena, de 20 a 40% del espesor
total del medio filtrante. De este modo, un medio filtrante de 70 cm de espesor tendrá
aproximadamente 50 cm de antracita y 20 cm de arena.” [14]
El peso específico del material filtrante. El peso específico (Pe) del material es igual al
peso de los granos dividido por el volumen efectivo que ocupan los granos.
En la tabla 17, se muestra los valores normales para el coeficiente de esfericidad y peso
específico de los materiales filtrantes más usuales.
Tabla 15. Valores normales de materiales filtrantes
Material Coeficiente de
esfericidad Peso especifico
Arena
Antracita
Granate
0,75-0,80
0,70-0,75
0.75-0.85
2,65 - 2,67
1,50-1,70
4.00-4.20
2.6.6. Carga hidráulica disponible para la filtración. La carga hidráulica que se debe fijar en
un filtro influye significativamente en la duración de la carrera de filtración. Este parámetro es
empírico y normalmente es seleccionado por el proyectista.
36
Bernardo y Cleasby mostraron que los filtros de tasa declinante producen carreras de filtración
más largas que los de tasa constante para una misma pérdida descarga en el medio filtrante y la
misma tasa de filtración promedio. Esto significa que los filtros de tasa constante necesitarían
una carga hidráulica disponible superior a los de tasa declinante para obtener carreras de
filtración de la misma duración.
Pérdida de carga en un medio filtrante. Al pasar un fluido Q a través de un lecho filtrante
granular de profundidad L, la fricción que el fluido sufre al atravesar los poros produce una
pérdida de carga h.
Al comenzar la operación de un filtro, los granos del lecho están limpios y la pérdida de
carga se deberá solamente al tamaño, forma y porosidad del medio filtrante y a la viscosidad
y velocidad del agua.
Si el fluido no tuviera partículas en suspensión, esta pérdida de carga inicial será constante a
través de toda la carrera de filtración. Pero, como ordinariamente contiene sólidos en
suspensión, estos irán recubriendo los granos del lecho, incrementarán su diámetro y
disminuirán su porosidad inicial, con lo que la pérdida de carga irá incrementándose por la
disminución del área de paso del flujo.
Resulta de aquí que deben considerarse dos clases de pérdida de carga:
- Una pérdida de carga inicial, que es la mínima que puede producir el filtro y que llamaremos
h0.
- Una pérdida de carga por colmatación, que será función del tiempo hf(t).Esto es:
- h = h0 + hf( t ).
Figura15. Variación de la pérdida de carga en función de (L) y (t)
37
2.6.7. Lavado del filtro. “El lavado del filtro es una operación por la cual se suspende el
proceso de filtración y se inyecta agua por la parte de abajo del filtro con presión adecuada, con
el objeto de que el lecho filtrante se expanda, los granos se froten y se desprenda todo el
material que ha quedado retenido entre ellos en la operación del filtrado. Este proceso debe
hacerse cada vez que la perdida de carga es igual a la presión estática sobre el lecho, o la calidad
del efluente desmejore. La mayoría de los problemas del filtro se originan en un lavado
deficiente, capaz de: (a) desprender la película que recubre los granos del lecho y (b) romper las
grietas o cavidades en donde se acumulan el material que trae el agua.
En ambos casos al expandir el lecho durante el lavado y luego dejarlo asentar e iniciar la
operación de filtrado, el material no removido queda atrapado entre los granos del medio
filtrante y al progresar la carrera de filtra se compacta, con lo que la superficie del filtro
desciende lentamente y las áreas más obstruidas, generalmente alrededor de las paredes, se
desprenden dejando una grieta entre ellas y la arena. En caso de serio deterioro, estas grietas
pueden llegar hasta la grava y todo el medio granular llenarse de bolas de barro que disminuye
el área de paso de flujo” [15]
Figura16. Iniciación de lavado de un filtro rápido
38
2.6.8. Fluidización de medios porosos. “Cuando se introduce un flujo ascendente en un medio
granular, la fricción inducida por el líquido al pasar entre las partículas produce una fuerza que
se dirige en sentido contrario a la del peso propio de los granos y que tiende a reorientarlos en la
posición que presente la menor resistencia al paso del flujo.
Por lo tanto, cuando la velocidad de lavado es baja, el lecho no se expande y su porosidad no se
modifica mayormente. Si se aumenta aún más la velocidad de lavado, la altura del medio
filtrante se incrementará proporcionalmente a la velocidad del fluido, y la porosidad crecería en
igual forma para dejar pasar el nuevo caudal, pero conservando la velocidad intersticial y la
resistencia al paso del agua aproximadamente iguales.
La fluidización es descrita por Cleasby y Fan como el flujo ascendente de un fluido (gas o
líquido) a través de un lecho granular, a una velocidad suficiente para suspender los granos en el
fluido, mientras que la velocidad mínima de fluidificación (Vmf) es la velocidad superficial del
fluido requerida para el inicio dela fluidificación.”[16]
Figura17. Pérdida de carga versus velocidad de lavado
39
2.6.8.1. Expansión del lecho poroso. La figura 18 corresponde a la solución grafica del
modelo de Cleasby y Fan, para granos no esféricos, los diagramas presentan las curvas que
relacionan el número de Reynold en función del número de Galileo para coeficiente de
esfericidad 0.9 y porosidad del medio filtrante expandido.
Para esto se fija una velocidad de lavado y con esto se puede determinar la expansión del medio
filtrante.
La expansión total de un medio filtrante se determina teniendo como dato la curva
granulométrica y calculando la porosidad de las diferentes subcapas expandidas para
determinada velocidad de lavado, conforme al modelo propuesto por Dharmarajah y Cleasby.
El número de Galileo y el número de Reynolds son dados, respectivamente, por las siguientes
ecuaciones
Numero de Reynolds
(16)
Cálculo del número de galileo
( )
(17)
Donde:
ρa = densidad del agua
Va = velocidad de lavado
μ = viscosidad del agua
De = diámetro equivalente de la subcapa de arena i del lecho filtrante
μ = viscosidad del agua
g = gravedad
ρs = densidad de la medio filtrante
La porosidad del lecho expandido (Ee) se determina por:
∑ ( )⁄ (18)
40
Donde:
Ei = porosidad expandida de cada subcapa
Xi = fracción en peso de material retenido entre dos tamices consecutivos
La expansión total de determina por:
(19)
Donde:
Ee = porosidad del lecho expandida
E0= porosidad del lecho estático
Figura 18. Porosidad del lecho expandido (Ei) en función del relación del número de
Reynolds (Re) con el número de Galileo (Ga) para Ce = 0,80
41
2.6.9. Sistema de drenaje. “Los sistemas de drenaje, cumplen la doble función:
a) Recolectar el agua filtrada
b) Distribuir uniformemente el agua de lavado en toda la superficie del filtro” [17].
2.6.9.1. Sistemas múltiples y laterales. Es sistema de falso fondo para drenaje, en este tipo de
filtro está constituido por una tubería de recolección y tuberías laterales para drenaje.
Se indican las condiciones para el drenaje por múltiple y laterales:
Figura 19. Sistema de drenaje de múltiples y laterales
-
-
-
-
42
Diámetro de los orificios: de 1/4” a 3/4 “
Espaciamiento de los orificios de 3” a 12”
Los espacios entre los laterales son entre 30-50cm
2.6.10. Frecuencia de los lavados. “La frecuencia de los lavados depende de la naturaleza del
agua a filtrar. En la práctica, se toma como base la perdida de carga y se procede al lavado
cuando esta alcanza un cierto límite, denominado impropiamente atascamiento máximo.
Solo puede apreciarse el atascamiento del filtro si se trabaja a caudal constante.”[18]
Modalidades del lavado de filtros
Tabla 16. Modalidades del lavado de filtros
Lavado ascendente con agua Agitación Auxiliar Medio
filtrante
con que se
una este
lavado
Tipo Descripción Tipo Descripción
De alta
velocidad
(0.6 a 1.20
m/min)
Se usa velocidad
constante durante el
lavado con fluidificación
de todas las capas del
medio filtrante y
estratificación de
partículas.
Sin
agitación
auxiliar
Se usa lavado
ascendente solo.
Arena fina
sola, arena y
antracita
Con agua
-Con chorros fijos.
-Con chorros
rotatorios.
Arena fina
Solo, arena
y antracita.
Con aire
Aire sin flujo
ascendente primero y
agua sola después.
Arena fina
sola, arena y
antracita.
De baja
velocidad
(0.25 a 0.45
m/min)
Velocidad constante
durante el lavado sin
fluidificación de
partículas.
Con aire
Aire primero
separadamente del
flujo ascendente que se
inyecta después.
Arena
gruesa sola.
Velocidad inicial más baja
durante la primera fase del
lavado que durante la
segunda sin fluidización
es ambas.
Con aire
Aire simultáneamente
con el agua primero y
luego agua sola a una
rata mayor.
Arena
gruesa sola.
43
Continuación tabla 16.
De baja
velocidad
seguida de alta
velocidad (0.25
a 0.30 + 0.60 a
1 m/min)
Velocidad baja durante la
primera fase de lavado sin
fluidificación y alta durante
la segunda con fluidificación
de partículas.
Con
aire
Aire simultáneamente con
un flujo ascendente bajo
primero y agua sola con alta
velocidad después.
Arena
gruesa
sola.
Fuente: ARBOLEDA, Jorge. Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. Tomo II. Bogotá.
2000. p. 489.
Consumo de agua. El consumo de agua de lavado es función esencialmente, de la naturaleza
y del peso de las partículas retenidas por m3 de material filtrante.
Mediante la utilización conjunta de aire de lavado y de agua decantada, puede reducirse en
un 20 a 30% aproximadamente en el consumo de agua
En general un filtro rápido se debe lavar una vez cada 24 horas con una tasa de 15gpd/ft2 por
5 a 10 minutos. El lavado se lo puede hacer invirtiendo el sentido del flujo en el filtro,
inyectando agua a presión en los drenes y recolectándola en la parte superior (para litros
rápidos). Esta operación puede durar de 5-15 min.
2.6.11. Filtración directa. “La Filtración Directa es un sistema de potabilización de agua que
en la actualidad se ha deseado mostrar como una de las mejores alternativas de filtración en
algunos contextos, pero los mismos restringen su utilidad al presentar varias restricciones para
su implementación.”[19]
2.6.11.1. Parámetros admisibles para la filtración directa. La turbiedad y el color en el agua
son principalmente causados por partículas muy pequeñas, llamadas partículas coloidales. Estas
partículas permanecen en suspensión en el agua por tiempo prolongado y pueden atravesar un
medio filtrante muy fino. Por otro lado aunque su concentración es muy estable, no presentan la
tendencia de aproximarse unas a otras.
Según las condiciones del agua cruda se establecen valores admisibles según el comité de la
división de calidad del agua de la AWWA (American Water Works Association 1980) y el autor
Jorge Arboleda Valencia, para el diseño de sistemas de filtración directa.
44
A continuación se relacionan los parámetros de color, turbidez, algas, hierro según los autores
mencionados.
La AWWA (American Wáter Works Association) definió unos parámetros de calidad de agua
que cumpliese los siguientes criterios:
Tabla 17. Parámetros físico químicos ideales para la filtración directa
PARAMETRO UNIDAD
Color < 40 unidades de
color
Turbiedad < 5 UNT
Algas < 2000 asu/ml
Hierro < 0.3 mg/l
Fuente: Raymond D. Letterman. Calidad y Tratamiento del Agua. Madrid. 2002. P. 504.
El agua cruda para filtración directa es la que tiene las mismas características de los efluentes
provenientes de sistemas de decantación, esto es:
Tabla 18. Parámetros físico químicos ideales para la filtración directa
PARAMETRO UNIDAD
Color 90 % del tiempo menor a 10 unidades
de color
Turbiedad 90 % del tiempo inferior 5 UNT
Algas máxima de 500 asu/ml y normales de
200 asu/ml
Hierro 90% del tiempo 0.3 mg/l
Fuente: ARBOLEDA, Jorge. Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. Tomo II. Bogotá.
2000. p. 538.
2.6.11.2. Limitaciones de la filtración directa. Aguas que exceden en forma permanente los 50
unidades de color y los 30 UNT de turbiedad ya sea conjunta o individualmente, en principio
deben ser tratados con los cuatro procesos que son mezcla rápida, floculación, sedimentación y
filtración. Estos valores sin embargo son tentativos y pueden variar según sean las
características del agua, por tanto no deben establecerse parámetros rígidos.
45
2.6.11.3. Concentraciones del producto químico empleadas en el proceso de filtración. De
acuerdo a pruebas realizadas de filtración directa por diferentes autores, establecen rangos
máximos de concentración de coagulante empleado según las características del agua.
Según el comité de la división de calidad de agua de AWWA
Según parámetros físico químicos ideales para la filtración directa expuestas por Jorge Arboleda
Valencia, se obtienen las siguientes concentraciones de coagulante:
2.6.11.4. Pretratamiento químico para filtración directa. La selección de dosis de coagulante
para la filtración directa es determinada por ciclos completos, usando filtros piloto o a escala.
CONCENTRACIONES FAVORABLES PARA
FILTRACION DIRECTA
De 6 a 7 mg/L de
sulfato de aluminio y
una pequeña dosis de
polímeros
Con 15 mg/L de sulfato
de aluminio se considera
una concentración dudosa
para el filtrado directo
CONCENTRACIONES NO FAVORABLES PARA
FILTRACION DIRECTA
Se logra realizar filtración
directa sin decantación
previa con dosis de
coagulante entre 4 y 8
mg/L, con o sin adición de
polímeros.
CONCENTRACIONES FAVORABLES PARA
FILTRACION DIRECTA
46
2.6.11.5. Tipos de filtración directa
Tabla 19. Tipos de filtración directa
ASCENDENTE DESCENDENTE
CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS
El agua cruda es coagulada con sales
de aluminio por neutralización de
cargas e introducida en la parte
inferior de la unidad filtrante.
El agua puede ser coagulada con sales de
aluminio o hierro y recibir un polímero
como auxiliar de floculación o filtración, o
ser coagulada con un polímero catiónico.
Debido a la dificultad para remover
impurezas acumuladas en la capa de
grava se hace necesario efectuar
descargas de fondo antes de cada
lavado.
La unidad de mezcla rápida debe generar
pequeños flocs con gran resistencia a las
fuerzas de corte durante la filtración.
Esta tecnología no es recomendable
para tratar aguas que presenten
variaciones repentinas de calidad.
El lavado del medio filtrante debe
realizarse con agua filtrada.
La eficiencia de estos filtros es
mayor que los filtros de flujo
descendente, debido a que el flujo
penetra en el lecho filtrante en el
sentido decreciente de la
granulometría, aprovechándose
íntegramente todo el lecho de arena.
Es recomendable para aguas de muy
buena calidad y características constantes.
Es la más rígida de todas las alternativas.
Requiere de recursos humanos calificados
para su operación y mantenimiento.
El crecimiento de la pérdida de
carga durante la filtración es menor
que en los filtros de flujo
descendente, obteniéndose carreras
de filtración más largas.
Es un sistema sensible a las variaciones de
turbiedad y color por lo que no se debe
adoptar como solución tecnológica
mientras no se tengan ensayos de
laboratorio o planta piloto.
Posee un tiempo de retención de unos
pocos minutos, por lo que no da margen
para reaccionar en caso de emergencia.
47
2.6.12. Desinfección. “La desinfección es el último proceso unitario de tratamiento del agua y
tiene como objetivo garantizar la calidad de la misma desde el punto de vista microbiológico y
asegurar que sea inocua para la salud del consumidor. Si bien la práctica muestra que los
procesos de coagulación, sedimentación y filtración remueven el mayor porcentaje de
microorganismos patógenos del agua, la eficiencia de los mismos no llega al 100%.
Los filtros lentos pueden llegar a remover 96% de bacterias, cuando elagua no presenta más de
100 ppm de materias en suspensión y 200 bacterias pormililitro. Los filtros rápidos pueden
llegar hasta 98% de eficiencia en la remoción de bacterias.
La filtración es muy efectiva en la retención de los microorganismos grandes, como las algas y
diatomeas; pero los olores y sabores asociados a ellos no son eliminados a menos que se
consideren otros procesos específicos para este fin.”[20]
Demanda de cloro = dosis de cloro – cloro residual
2.6.12.1. Cloración. 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.
Algunas de sus sales también tienen poder desinfectante. Las más usadas son el hipoclorito de
calcio y el hipoclorito de sodio, cuya eficiencia bactericida es idéntica a la del cloro y que
producen reacciones similares en el agua. Se emplean en plantas pequeñas, piscinas y pozos,
pues los hipocloradores son más sencillos y económicos.
2.6.12.2. Características del cloro como desinfectante
- Destruye los organismos patógenos del agua en condiciones ambientales y en un tiempo
corto.
- Es de fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo.
- La determinación de su concentración en el agua es sencilla y de bajo costo.
- En las dosis utilizadas en la desinfección de las aguas, no constituye riesgo para el hombre ni
para los animales.
- Deja un efecto residual que protege el agua de una posterior contaminación en la red de
distribución.
48
2.6.12.3. Factores que influyen en la desinfección. Los factores que influyen en la
desinfección del agua son los siguientes:
- Los microorganismos presentes y su comportamiento
- La naturaleza y concentración del agente desinfectante
- La temperatura del agua
- La naturaleza y calidad del agua
- El pH
- El tiempo de contacto.
2.6.12.4. Reacciones del cloro en el agua. “El cloro, al entrar en contacto con el agua,
reacciona formando el ácido hipocloroso (HOCl) y el ácido clorhídrico (HCl) según la siguiente
reacción:
4
Esta es una reacción reversible de hidrólisis que se produce en fracciones de segundo.
El ácido hipocloroso se disocia en iones de hidrógeno e iones de hipoclorito
(OCl- ):
5
El ácido hipocloroso (HOCl) y el ion hipoclorito (OCl-) forman el denominado cloro activo
libre. Por su naturaleza, el HOCl es el desinfectante por excelencia y su poder es mucho mayor
que el del ion hipoclorito (OCl-). Para efectos prácticos, este último no es considerado como
desinfectante.
Las soluciones de hipoclorito establecen el mismo equilibrio de ionización en el agua. Por
ejemplo:
( ) 6
7
Las cantidades de ácido hipocloroso y de iones de hipoclorito formados en las reacciones
anteriores equivalen, en capacidad oxidante, a la cantidad de cloro original.” [21]
49
Figura 20. Formas importantes de cloro en la cloración del agua
2.6.12.5. Cálculo de la cantidad de cloro activo de acuerdo con las especies usadas. Mediante
cálculos químicos simples a partir de la ecuación respectiva, es posible determinar la cantidad
de cloro activo en cada caso.
Cloro gas
8
Es decir, 1 kg de cloro gas produce 0,739 kg de ácido hipocloroso (HOCl).
Hipoclorito de sodio
9
74,5 g 52,5 g
Es decir, 1 kg de NaOCl produce 0,705 kg de HOCl.
Hipoclorito de calcio
( ) ( ) 10
143 g 2 x 52,5 g
Es decir, 1 kg de Ca(OCl)2 produce 0,734 kg de HOCl.
Cloro (Cl2)
Residual
Libre
HOCL OCl-
Combianada
NH2Cl NHCl2 NCl3
Demanda
50
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Proceso experimental
Para el desarrollo del actual proyecto se siguió, La Norma para estudio y diseño de sistemas de
agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes del
código ecuatoriano de la construcción de obras sanitarias CO 10.07 – 601.
3.1.1. Recolección de datos generales para el diseño del Proyecto:
- Área a servir
- Periodo de diseño
- Estudio de la Población
- Población de diseño
- Demanda de agua potable
- Dotación actual, futura
- Fuente del agua (vertiente).
3.1.2. Análisis de la calidad del agua. Mediante este proceso se pudo definir la composición
físico químico y bacteriológico considerando los parámetros establecidos en la Norma INEN
1108 del agua a través de la toma de muestras en la captación, y su respectivo análisis en
laboratorio. Llegando a determinar los parámetros que no cumple con las normas vigentes para
la calidad de agua potable tanto en el aspecto físico-químico como bacteriológico.
3.1.3. Selección del método de tratamiento. En base a los resultados obtenidos del análisis del
agua cruda y a las pruebas realizadas a nivel de laboratorio, para el presente proyecto se
propone un proceso de sedimentación (desarenador), tratamiento químico con cal, filtración
directa y desinfección.
Se efectúa el estudio experimentalmente del proceso de filtración y con esto se determina los
siguientes criterios:
51
- Establecer criterios y parámetros de diseño
- Descubrir problemas de tratamiento no aparentes
- Establecer la confianza del métodos propuestos
Con la caracterización del agua cruda y las pruebas realizadas, se definen las variables que
permiten el diseño de los equipos necesarios para la potabilización del agua.
3.2. Análisis de laboratorio
3.2.1. Análisis físico-químico y biológico del agua cruda. Con el propósito de determinar las
condiciones del agua a tratar se hace necesario realizar una caracterización físico-química y
microbiológica con el fin de determinar parámetros, que no cumplan con la norma INEN 1108 y
con esto realizar un tratamiento adecuado al agua cruda, para cumplir con las condiciones de
agua para consumo humano.
Los ensayos fueron realizados en el laboratorio en la Facultad de Ingiriera Química,
Universidad Central del Ecuador
Tabla 20. Caracterización físico-química y microbiológica del agua cruda
PARÁMETRO UNIDADES VALOR
LIMITE
MÁXIMO
PERMISIBLE
Temperatura ºC 20 -
Turbiedad NTU 10 5
Color Pt-Co 9 15
pH - 7,41 6.5-8.5
Sólidos Totales Disueltos mg/l 55 1000
Aluminio mg/l Al3+
0,982 0,25
Amonio (N-NH3) mg/l 0,03 1
Antimonio mlg/l Sb < 0,1 0,02
Arsénico mg/l As 4,759E-03 0,01
Bario mg/l Ba < 0,3 0,7
Boro mg/l B 0,2 0,5
52
Continuación de la tabla 20
Cadmio mg/l Cd < 0.02 0,003
Cianuros Libres mg/l CN-
0,002 0,07
Cloro Libre mg/l Cl2 - 0.3-1.5
Cloruros mg/l Cl-
5,2 250
Cobalto mg/l Co < 0.05 0,2
Cobre mg/lCu < 0.05 1.0
Cromo mg/l Cr < 0.04 0,05
Dureza Total mg/l CaCO3 47.8 300
Estaño mg/l Sn < 1 0,1
Fluoruros mg/l F- 0,09 1,5
Fosforo (P-PO43-
) mg/l 0,289 0,1
Hierro mg/L Fen+
0,07 0,3
Manganeso mg/L Mn2+
< 0.05 0,4
Níquel mg/L Ni < 0.150 0,07
Nitratos (N-NO3-) mg/L NO3
- 0,2 50
Nitritos (N-NO2-) mg/L NO2
- 0,006 0,2
Plata mg/L Ag < 0.025 0,05
Níquel mg/L Ni < 0.150 0,07
Nitratos (N-NO3-) mg/L NO3- 0,2 50
Nitritos (N-NO2-) mg/L NO2- 0,006 0,2
Plata mg/L Ag < 0.025 0,05
Plomo mg/L Pb < 0.1 0,01
Potasio mg/L K 0,136 20
Sodio mg/L Na < 5.058 200
Sulfatos mg/L SO42- 4 200
Vanadio mg/L V < 0.7 0,1
Zinc mg/L Zn < 0.02 3
Mesófilos Aerobios UFC/mL 820 -
Coliformes Totales NMP/100 mL 49 <2
Coliformes Fecales NMP/100 mL 33 <1,1
53
Con los resultados obtenidos del análisis de la muestra de agua, fuente de abastecimiento de
agua potable para la población urbana de cantón Olmedo, se puede observar parámetros que no
cumplen con la norma vigente para agua de consumo humano, tanto físico química como
bacteriológicos.
Por tanto para dotar con agua potable a la comunidad, se hace necesario aplicar procesos físicos
químicos que permiten cumplir con las especificaciones de calidad establecidas en la Norma
INEN 1108 para agua de consumo humano.
3.3. Tratamiento para el agua cruda
En base a los análisis realizados y a las características físico-químicas del agua cruda, para el
presente proyecto se propone el siguiente proceso:
3.3.1. Pretratamiento. El agua cruda arrastra gran cantidad de arena, por lo que se hace
necesario la construcción de un Desarenador y evitar que afecten a los siguientes procesos.
3.3.2. Tratamiento primario
Precipitación química. Para reducir los niveles de compuestos no deseados, se debe aplicar
procesos químicos mediante la regulación del pH de tal forma modificar la condiciones de
solubilidad de los compuestos que permitan la precipitación de los mismo. Mediante la
adición de una solución de cal, modificar condiciones del agua (pH) que permitan cambiar la
solubilidad de compuestos no deseados presentes en el agua (Sales de fosforo y aluminio) y
permitan la formación de productos insolubles y con esto disminuir elementos indeseables
presentes en el agua a tratar.
3.3.3. Tratamiento Secundario
Filtración. La formación de material en suspensión, producto de la precipitación química y
parte de sedimentos del proceso de desarenación es necesario la implementación un proceso
de filtración directa, reteniendo material no deseado en el agua tratada.
Para este proceso se implementa una unidad de filtración filtro piloto para evaluar las
condiciones que se darían durante el proceso de filtración.
54
Desinfección. Para completar el proceso de tratamiento propuesto, la última etapa está
constituida por un sistema de desinfección que ayude disminuir microorganismos presentes
en el agua tratada perjudiciales para la salud previa a su almacenamiento y distribución.
Este tratamiento se lo hace con la aplicación de una solución de hipoclorito de calcio
Figura 21. Diagrama de bloques del proceso para el tratamiento del agua cruda.
3.4. Tratamiento
3.4.1. Precipitación química. La formación del hidróxido de aluminio se da a pH < 8.0. La
formación de fosfato de aluminio y calcio, a un pH de entre 7-10. Se determina la concentración
adecuada de una solución de cal 0.1% p/v para tener las condiciones de pH para la reacción de
precipitación tanto de P-fosfato como la del ion aluminio.
Solución de cal 0.1 % Agua cruda
Mezcla rápida Desarenador Captación
Residuos Compuestos de Al3+
y P-PO4 Filtración
Solución de
Hipoclorito
de calcio 0.1%
Desinfección
Almacenamiento
Distribución
55
3.4.1.1. Determinación experimentar de la concentración de cal 0.1% p/v para la
precipitación del P-fosfato y la del ion aluminio presentes en el agua cruda.
Materiales y reactivos
- Agua cruda
- Balanza
- Cal
- Agua destilada
- Medidor de pH
- Varilla de agitación
- Jeringas de 3 ml
- Papel filtro
Procedimiento
a) Colocar la muestra de agua cruda en tres vaso de precipitación de 1L de capacidad
b) Se prepara la solución de cal 0.1% p/v.
c) Adicionar como agente precipitante la solución de cal 0.1% p/v, en dosis crecientes de 5, 10,
15 ppm.
d) Agitar por 10 segundos, tiempo en que se produce la reacción de precipitación de los
compuestos no deseados.
e) Tomar una muestra de agua tratada, filtrarla y medir la concentración de fosfatos y de
aluminio.
Tabla 21. Concentraciones de fosfato y aluminio después del tratamiento
Cal
ppm pH
P-fosfatos,
mg/L Al
3+ mg/l
5 7.96 0.04 0.772
10 7.99 0.02 0.08
15 8.1 0.05 -
Agua cruda 7.41 0.289 0.982
3.4.2. Filtración. Las condiciones de turbiedad como de color del agua cruda cumplen con las
condiciones para la realización de una filtración directa. La filtración directa se la realizará
experimentalmente, en una unidad de filtración piloto similar al que se va a implementar en la
56
planta, determinando variables que permitan el dimensionamiento de la unidad de filtración para
el presente proyectos.
3.4.2.1. Unidad experimental “Filtro de gravedad de arena”. El modelo experimental consiste
en un tubo de 4 pulgadas de diámetro de 2 metros de altura el cual consta de un falso fondo que
es una placa perforada la cual sostiene el lecho filtrante, una bomba centrifuga la cual va a servir
para la alimentación del agua cruda hacia el filtro y también con el retrolavado del medio
filtrante, una salida del agua filtrada. Posee 3 piezómetros de los cuales 2 permiten medir las
pérdidas durante la filtración en el lecho filtrante, lo piezómetros se encuentran ubicados a 40,
60 y 97 cm desde el fondo de la unidad piloto de filtración, el otro permite medir la carga
hidrostática sobre el lecho filtrante y una serie de válvulas para hacer las funciones necesarias 4
en total.
La columna de filtración construida es similar a una planta de filtración rápida los datos
obtenidos van a ser complementados teóricamente.
3.4.2.2. Espesor de las capas soporte y medio filtrante. Es necesario utilizar un manto de grava
tanto para impedir que el medio filtrante pase con el agua filtrada, como para ayudar a la
distribución del agua de lavado.
El filtro piloto tiene una distribución de la capa soporte, del lecho filtrante y de la carga
hidráulica disponible para la filtración, que permite una pérdida de carga en el medio filtrante en
función de lo establecido en Código Ecuatoriano De La Construcción De Parte I Obras
Sanitarias CO 10.07 – 601. Normas Para Estudio Y Diseño De Sistemas De Agua Potable Y
Disposición De Aguas Residuales Para Poblaciones Mayores A 1000 Habitantes
Tabla 22. Espesor de la capa soporte y medio filtrante
Capa Material Tamaño Altura
mm cm
fondo grava1 12-18 10
media grava2 6-12 10
superior grava3 3-6 15
lecho filtrante arena 0,5-1 60
Carga hidrostática agua - 100
57
3.5. Procedimiento para la evaluación del filtro
Como consecuencia de las características del medio filtrante, de la velocidad de filtración y la
calidad del agua filtrada hay variables del proceso de filtración que son difíciles de controlar así
como otras fáciles de controlar y de mayor significado en la operación del filtro.
A continuación se detallan los procedimientos para evaluar variables que influyen en un filtro
directo de arena.
La evaluación se la realiza en función a lo establecido por CEPIS. Tratamiento de agua para
consumo humano. Unidad V operación, mantenimiento y control de las principales unidades de
tratamiento de agua Parte 2, Filtración.
3.5.1. Velocidades de lavado.
La velocidad ascendente del agua de lavado adecuada para cada filtro varía en relación con la
altura del lecho filtrante.
Generalmente se usan velocidades de lavado entre 0,6 m/min y 0,9 m/min pudiéndose aceptarse
velocidades de acuerdo al tipo de lecho filtrante utilizado y teniendo en cuenta que esta no
arrastre el medio filtrante durante el lavado.
3.5.1.1. Determinación experimental de la velocidad de lavado contracorriente
Materiales
- Cronometro
- Unidad experimental (filtro piloto)
Procedimiento:
a) Llenar el filtro y ponerlo en funcionamiento
b) Cerrar la válvula de ingreso de agua
c) Cuando el nivel del agua descienda hasta 10cm sobre la superficie de la arena cerrar la
válvula de salida de agua filtrada. (la altura se la puede ver en el 1er piezómetro)
d) Abrir las válvulas de lavado
58
e) Abrir la válvula de salida de la bomba y fijar en el disco una cierta graduación, por ejemplo
25º.
f) Prender la bomba y medir el tiempo que tarda en subir el nivel de agua 20 cm (ver en el 1er
piezómetro)
g) Repetir el procedimiento para otras graduaciones de la válvula de la bomba.
Nota: La graduación del disco de la válvula de salida de la bomba está fijada cada 5º hasta 90º
que es cuando la válvula está totalmente abierta.
Tabla 23. Tiempos que tarda en subir el nivel de agua por la unidad de filtración
Tiempo, s
Abertura de la válvula de lavado,
n 20 25 30
1 13,81 9,62 6,96
2 14,13 9,59 6,8
3 14,53 9,58 7,1
4 13,56 9,33 6,93
5 14,39 9,65 6,87
6 14,6 9,73 6,95
7 14,69 9,7 6,85
8 14,43 9,59 6,95
promedio 14,27 9,60 6,93
3.5.1.2. Cálculo de la velocidad de lavado
(20)
Donde:
Vl = Velocidad de lavado, m/min
d = distancia recorrida, m
t = tiempo en recorrer una distancia de 0.2m, s
⁄
59
3.5.1.3. Cálculo del caudal de lavado
(22)
(23)
Donde:
Q = caudal de lavado, m3/min
Vl = velocidad de lavado, m/min
Af = arena del filtro, m2
D = diámetro del filtro piloto 0.1016 m
(24)
⁄ ⁄
Tabla 24. Velocidad y caudal de lavado
Abertura de la
válvula de
lavado,
tiempo
promedio, s
distancia
recorrida en el
filtro, cm
Velocidad de
lavado m/min
Caudal de
lavado l/min
20 14,27 0,20 0,84 6.8
25 9,60 0,20 1,25 10.1
30 6,93 0,20 1,73 14.0
Son usuales velocidades de lavado de 0.6 a 0.9 m/min pudiendo aceptarse otros valores de
acuerdo al tipo de lecho filtrante utilizado.
3.5.2 Expansión del lecho de arena. La expansión del lecho filtrante depende del caudal de
lavado y del peso de los granos de arena y la altura del lecho filtrante.
La tasa de lavado debe producir una expansión del lecho de entre el 15% al 50%, establecido en
el código ecuatoriano de la construcción de parte I obras sanitarias CO 10.07 – 601. Normas
60
para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para
poblaciones mayores a 1000 habitantes.
La determinación de la expansión del lecho filtrante se la realiza con un dispositivo (fig.B.5) el
cual consiste en una varilla unida con pequeños recipientes ubicados cada 5 cm, cuya altura
debe ser mayor a la altura de la carga hidrostática en este caso 1 metro
3.5.2.1. Determinación experimental de la expansión de la arena
Materiales:
- varilla de madera unida con pequeños recipientes cada 5 cm hasta 35 cm de altura
- cronometro
- Unidad experimental (filtro piloto)
Procedimiento:
a) Llenar el filtro y ponerlo en funcionamiento a una altura hidrostática constante de 1m sobre
el lecho filtrante
b) Cerrar la válvula de ingreso de agua y de salida de agua filtrada
c) Colocar con todo cuidado la varilla, sobre el medio filtrante y asegurarla para evitar que se
mueva
d) Abrir las válvulas de lavado
e) Abrir la válvula de descarga de la bomba y fijar en el disco una graduación, por ejemplo 25º.
f) Iniciar el proceso de lavado por 3 minutos
g) Retirar con todo cuidado la varilla para evitar que la arena se caiga de los recipientes y
contar los que están llenos del mismo.
h) Poner el filtro en funcionamiento para que la arena se reacomode.
i) Limpiar los recipientes y repetir el procedimiento para las velocidades determinadas
anteriormente.
Nota: La graduación del disco de la válvula de salida de la bomba está fijada cada 5º hasta 90º
que es cuando la válvula está totalmente abierta.
61
3.5.2.2. Cálculo de la expansión de la arena
(25)
Donde:
hexpa = altura de expansión de la arena
ha = altura del medio filtrante
Tabla 25. Porcentaje de expansión de la arena
Abertura de
la válvula de
lavado,
Velocidad
de lavado
m/min
altura de la
expansión de
la arena, cm
altura del
medio filtrante,
cm
% de expansión
del medio
filtrante
Normas
IEOS
%
expansión
20 0.84 10 60 17 15-50
25 1.25 18 60 30 15-50
30 1.73 25 60 42 15-50
Nota: Si la arena quedo retenida en los tres primeros recipientes significa que el lecho, se
expandió por lo menos 15 cm desde el nivel normal del medio filtrante (arena).
3.5.3. Tasa de filtración. Es la cantidad de agua filtrada por unidad de área en un día. La tasa
de filtración recomendable para filtración directa de tasa constante de arena sola, es de 120 m3/d
/m2 a 360 m3/d/m
2 con un tamaño efectivo de 0.7 a 2 mm y un coeficiente de uniformidad
menor a 1.6, según el CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN. C.E.C. Normas
para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para
poblaciones mayores a 1000 habitantes. Primera edición. 1992.
3.5.3.1. Determinación experimental de la tasa de filtración con carga hidrostática constante
Materiales:
- Cronómetro
- Recipiente graduado
- Unidad experimental (unidad piloto de filtración)
62
Procedimiento:
- Llenar el filtro y ponerlo en funcionamiento, carga hidrostática constante
- Regular la válvula de salida del agua filtrada a un caudal determinado. Para este caso se
regula 15° en el disco graduado
- Medir el volumen que se llena en recipiente en 1 min.
Tabla 26. Caudales para una abertura de 15° de la válvula del agua filtrada
n Volumen, L Tiempo, s Caudal, L/min
1 0.76 60 0.76
2 0.70 60 0.70
3 0.72 60 0.72
4 0.70 60 0.70
promedio - - 0.72
3.5.3.2. Cálculo de la tasa de filtración
⁄ (26)
Donde:
Q= caudal de agua filtrada, m3/s
V= velocidad de filtración, m/s
Af= área del filtro, m2; 0.00811m
2
⁄
Tabla 27. Velocidad de filtración
Caudal
L/min
Tasa de filtración
⁄
Normas IEOS
Tasa de filtración
⁄
0.72 128 120-360
63
3.5.4. Tiempo de lavado del lecho filtrante. Tiempo, en el cual se invierte el sentido del agua
para poder remover las partículas atrapadas en el medio filtrante. El tiempo de lavado varía
entre 3-15 minutos dependiendo de la calidad del agua, las condiciones para lavar un filtro son:
- La turbiedad de agua filtrada es superior a la establecida
- Ha cumplido una carrera de filtración establecida
Cuando se lo lava el medio filtrante la turbiedad del agua aumenta inicialmente y a medida que
el medio filtrante va limpiándose la turbiedad va disminuyendo
3.5.4.1. Determinación experimental del tiempo de lavado
Materiales:
- 6 frascos de 100ml
- Cronómetro
Procedimiento:
a) Numerar los frascos de 1 a 6
b) Inicial el proceso de lavado fijando una abertura en el disco en la válvula de lavado de 25°,
que genera una expansión del 30% del lecho filtrante.
c) Tomar la primera muestra cuando empiece a caer el agua de retrolavado, tomar muestras
cada dos minutos hasta completar las seis muestras.
d) Medir la turbiedad de las muestras obtenidas y dibujar la curva de turbiedad en función del
tiempo y determinar el tiempo más apropiado para el lavado del filtro.
Tabla 28. Turbiedad del proceso de lavado del filtro
n Tiempo
min
Turbiedad
NTU
1L 0 755
2L 2 72
3L 4 25
4L 6 16
5L 8 9
6L 10 9
64
3.5.5. Calidad del agua filtrada luego del lavado. Después del proceso de lavado, el primer
efluente que produce el filtro tiene una turbiedad mayor debido a que una parte de las partículas
removidas durante el lavado permanecen en el filtro y salen al poner en servicio el filtro y se
reducen a medida que se acomoda el lecho filtrante reduciendo la porosidad del mismo.
Por esta razón se hace necesario determinar el tiempo que se necesita drenar el agua luego de
lavado el filtro antes de ponerlo en servicio.
3.5.5.1. Determinación experimental del tiempo de drenaje
Materiales:
- 5 recipientes de 100ml
- Cronómetro
Procedimiento:
a) Numerar los recipiente del 1 al 5
b) Luego del realizar el proceso de lavado
c) Poner en servicio el filtro y tomar muestras cada dos minutos hasta completar un tiempo de 8
minutos.
d) Medir la turbiedad de las muestras obtenidas y graficar la turbiedad en función del tiempo.
e) Determinar el tiempo de lavado adecuado para el lecho filtrante
Tabla 29. Turbiedad luego de realizado el retrolavado
n Tiempo
min
Turbiedad
NTU
1D 0 <4
2D 2 4
3D 4 5
4D 6 <4
5D 8 <4
65
3.5.6. Carrera de filtración y pérdidas de presión. Es el periodo de funcionamiento del filtro
antes de lavado. Para filtros directos de arena el tiempo entre lavados puede ser de 24, 48 hasta
72 horas, para filtros lentos de arena puedes ser de 20, 30 hasta 60 días, esto depende de la
calidad del agua a ser filtrada.
Para la determinación de la carrera de filtración se simula las condiciones del agua cruda en
turbiedad, color y sólidos suspendidos. Esto se lo realiza debido a la gran cantidad de agua
cruda que se necesita para realizar la simulación de la filtración por 24 horas
Para filtros directos de flujo descendente la carga hidráulica disponible para la filtración debe
permitir una pérdida de carga total en el medio filtrante equivalente entre 2,0 m a 2,5m. Según
el CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN. C.E.C. Normas para estudio y
diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones mayores
a 1000 habitantes. Primera edición. 1992.
3.5.6.1. Muestra de agua cruda para la experimentación de la carrera de filtración. La
preparación de la muestra de agua cruda, se la realiza añadiendo diferentes concentraciones de
bentonita en agua potable se compara la turbiedad, sólidos totales suspendidos y el color de las
muestras obtenidas con la del agua cruda y determinar cuál es la adecuada para la simulación
de la filtración.
Tabla 30. Preparación del agua cruda
Concentración
de bentonita
ppm
Turbiedad
NTU
STS
mg/l
Color
UC
Agua cruda
Muestras Turbiedad
NTU
STS
mg/l
Color
UC
10 38 42 11 Invierno 9 17 1.8
Verano 4 11 1
Observamos que la muestra de agua preparada contiene parámetros altos con respecto a las
muestras de agua cruda obtenidas tanto en invierno como en verano, además la apariencia de
esta es blanquecina producto de la mezcla con la bentonita mientras que las dos muestras de
aguas cruda tienen una apariencia trasparente.
66
Se tomó la concentración de bentonita de 10 ppm para queriendo simular condiciones extremas,
además se debe tener en cuenta que la mayor parte del año el cantón Olmedo se encuentra en
verano, invierno
3.5.6.2. Determinación de la carrera de filtración y de las pérdidas de presión
Materiales:
- Filtro piloto
- 11 Recipientes de 100 ml
- Cronómetro
Procedimiento:
a) Llenar el filtro y abrir la válvula de salida del agua filtrada (fijar en el disco graduado 10º)
que corresponde a la rata de filtración de 128m3/día/m
2.
b) Poner en funcionamiento la unida piloto de filtración.
c) Tomar una muestra de agua cada hora hacer esto cada dos hasta completar 30 horas, que es
el tiempo que dura la carrera de filtración.
d) Con la ayuda de los piezómetros colocados a un costado del filtro piloto tomar la pérdidas de
presión que se producen por el paso del agua cruda por el lecho filtrante, hacer esto cada
hora durante toda la carrera de filtración, tomando las medidas desde la parte superior hacia
abajo.
e) Tomar el caudal de filtración cada hora durante toda la carrera de filtración.
f) Determinar la turbiedad de las muestras de agua tomadas
Tabla 31. Evaluación de la carrera de filtración.
n
Horas
de
lectura
Tiempo
horas
Turbiedad
del agua
filtrada
NTU
Pérdida de
carga
cm
Tasa de filtración
P1 P2 P3 Tasa de filtración
m3/m
2*día
1 8:30 0 6 0 11 13,5 128
2 10:30 2 4 0 13 16 128
3 12:30 4 5 0 14 17 128
4 14:30 6 5 0 16,5 19,6 128
5 16:30 8 <4 0 19 21,8 128
6 18:30 10 <4 0 20,3 23,2 128
67
Continuación Tabla 31.
7 20:30 12 <4 0 21,5 25,4 128
8 7:00 22.5 <4 0 28,6 33 128
9 9:00 24.5 <4 0 30,5 34,6 128
10 11:00 26.5 <4 0 32,5 35,7 128
11 13:30 29 <4 0 33,7 37,1 128
LAVADO
- - 0 - 0 9,0 10.5 -
3.6. Demanda de cloro
La determinación de la demanda de cloro permite cuantificar la cantidad de cloro requerido para
la desinfección del agua. La dosis óptima de cloro a aplicar depende del tiempo de retención en
el sistema, del tipo de compuesto de cloro que se utiliza, de la clase de desinfectante que se
forma en el agua en función de su temperatura, pH y de materia orgánica.
Un criterio usualmente utilizado es agregar suficiente cantidad de cloro al agua como para
conseguir que en cualquier punto de la red de distribución se encuentre un residual de 0,1mg/l a
0,5 mg/l. El valor admisible de cloro residual libre, en cualquier punto de la red de distribución
del agua, deberá ser de 0.2 mg/l a un pH de 7-8 por un tiempo de contacto de 30 min.
La Norma INEN-1108, establece un límite de 0.3 – 1.5 mg/l de cloro libre residual. Según el
CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN. C.E.C. Normas para estudio y diseño
de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000
habitantes. Primera edición. 1992.
3.6.1. Determinación del cloro residual
Materiales:
- Kit para medir cloro residual
- Cronómetro
- Reactivo indicador de cloro residual
Procedimiento:
a) Preparar una solución de Hipoclorito de calcio al 0.1%.
68
b) Colocar agua cruda en seis vasos de precipitación de 500 ml
c) Adicionar la solución de cloro en dosis ascendentes desde 1ppm hasta 5 ppm de la solución.
d) Homogenizar la muestra
e) Dejar reposar las y medir cada 5 minutos el cloro residual por 30 minutos.
Para esta cuantificación se tiene la relación:
Demanda de cloro = Dosis de cloro – Cloro residual.
Tabla 32. Variación de cloro residual con el tiempo
Muestras
1 2 3 4 5
Dosis de solución de hipoclorito de calcio, ppm
0.1 0.8 1.3 2.0 2.6
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
0 0,1 0 0,8 0 1,3 0 2 0 2,6
5 0 5 0,5 5 1,2 5 1,8 5 2,3
10 0 10 0,45 10 1 10 1,6 10 2,1
15 0 15 0,4 15 0,9 15 1,4 15 1,9
20 0 20 0,3 20 0,8 20 1,35 20 1,8
25 0 25 0,25 25 0,85 25 1,3 25 1,7
30 0 30 0,2 30 0,75 30 1,2 30 1,55
69
Gráfico 1. Cloro libre residual del agua tratada en función del tiempo
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10 15 20 25 30 35
Clo
ro r
esi
du
al, m
g/l
Tiempo, min.
Cloro libre residual = f(tiempo)
2.6 ppm
2 ppm
1.3 ppm
0.8 ppm
0.1 ppm
70
4. BASES DE DISEÑO
4.1. Generalidades
Constituye la fase más importante en todo proyecto de ingeniería que determina las dimensiones
reales de las obras a diseñarse, para el efecto se debe establecer con exactitud la población
actual, la población futura y el período de diseño de la obra.
Un sistema de abastecimiento de agua está constituido por una serie de estructuras presentando
características diferentes y que se diseñarán de acuerdo a la función que cumplen dentro del
sistema. Para la elaboración del presente proyecto se utilizará el código ecuatoriano de la
construcción. (c.e.c) “Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición
de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes. CPE INEN 5 Parte 9.1:1992
primera edición.
Para el diseño del proyecto se tomaran en cuenta tres aspectos básicos como son:
- Período de diseño
- Población futura o de diseño
- Caudal de diseño
Tabla 33. Vida útil de los componentes del proyecto
COMPONENTES VIDA ÚTIL
Obras de captación 25 – 50 años
Conducción de asbesto cemento o PVC 20 – 30 años
Planta de tratamiento 20 – 30 años
Tanques de almacenamiento 30- 40 años
Tuberías principales y secundarias de la red:
De asbesto cemento o PVC 20 -25 años
Fuente: INEN. Código Ecuatoriano de la Construcción. C.E.C. Normas para estudio y diseño
de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000
habitantes CPE INEN 5 parte 9.1. Quito. 1992. p. 41
71
Para el diseño de la planta de potabilización, tomando en cuenta el crecimiento poblacional y
condiciones económicas se la realizará para 20 años.
4.2. Población futura o de diseño
Para el diseño de la planta de potabilización es necesario determinar la población futura a la cual
se abastecerá con el servicio de agua potable, esto se realiza tomando datos estadísticos de
censos realizados en la población. En este caso se tomara información proporcionada por el
municipio de Olmedo.
El índice de crecimiento para poblaciones rurales se presenta en el siguiente cuadro:
Tabla 34. Tasas de crecimiento poblacional
REGIÓN GEOGRÁFICA r (%)
Sierra 1.0
Costa, Oriente y Galápagos 1.5
Fuente: INEN. Código Ecuatoriano para el diseño de la Construcción de Obras Sanitarias,
norma CO 10.7- 602, Tabla 5.1. Quito.1997. p. 18.
En este caso se tomara como 1% la tasa de crecimiento poblacional
Los datos de la Tabla 35, 36. Fueron proporcionados por el municipio del cantón Olmedo,
realizada en agosto del 2012
Tabla 35. Número de habitantes por barrios de la parroquia urbana del cantón Olmedo
Número de habitantes por barrios: encuestas
Barrio
Cantidad
Htes.
Sector : 01 ruta 01: 18 de noviembre 112
Sector : 01 ruta 02: 18 de noviembre 134
Sector: 01 ruta: 03 mons. Armijos 91
Sector: 01 ruta: 04 calle: mons. Armijos 43
Sector: 01 ruta: 05 av. Occidental 11
Sector: 01 ruta:: 06 c. Isidro ayora 28
Sector: 01 ruta: 07 c. 25 de octubre 70
Sector:01 ruta: 08 c. Sucre 84
Sector: 01 ruta: 09 vía chaguarpamba 190
Arriba de la planta de tratamiento 50
Subtotal vía a la yee de olmedo 51
Total 864
72
Tabla 36. Personal estudiantil y flotante
Personal estudiantil y flotante
No Nombre de la institución
To
tal
de
per
son
as
No
. P
erso
nal
No
. E
stu
dia
nte
s
Ca
pa
cid
ad
de
pa
cien
tes
Sector : 01 ruta 02: 18 de noviembre
1 Subcentro de salud de olmedo 4 10
Sector: 01 ruta: 03 mons. Armijos
2 Unidad educativa mons. Alberto
Zambrano(266 htes) 295 8 287
3 Unidad educativa mons. Alberto
Zambrano(300 htes) 330 10 320
4 Escuela fiscal mixta suiza 38 4 34
Sector: 01 ruta: 04 calle: mons. Armijos
5 Convento parroquial uno 2
Sector: 01 ruta: 09 via chaguarpamba
6 Escuela Cristóbal colon 148 11 137
Otras instituciones
7 Municipio de olmedo 70
8 UPC olmedo 11
Totales población
flotante 898
4.3. Cálculo de la población actual
Existen varios métodos para el cálculo de la población futura, de los cuales enunciaremos
aquellos que en la práctica han dado buenos resultados. Estos métodos son de tipo analítico,
algunos de ellos se basan en el método de los mínimos cuadrados.
4.3.1. Método aritmético. Consiste en considerar que el crecimiento de una población es
constante, es decir asimilable a una línea recta, es decir que responde a la ecuación.
73
( ) (27)
Donde:
Pf = Población futura.
Pa = Población actual.
n = Período de diseño.
r = Índice de crecimiento.
4.3.2. Método geométrico. Este método supone que el aumento de la población se produce en
forma análoga al aumento de una cantidad colocada al interés compuesto, el gráfico producido
está representado por una curva semilogarítmica.
( ) (28)
Donde:
Pf = Población futura.
Pa = Población actual.
r = Índice anual de crecimiento.
n = Número de períodos.
Cuando las comunidades tengan establecimientos educacionales, se tomará un 15% del
alumnado total como habitantes adicionales a la población actual. Es también recomendable
considerar, cuando sean aplicables las tendencias locales de emigración hacia áreas de mayor
concentración.
4.4. Cálculo de la población futura
Para el cálculo de la población urbana en el cantón Olmedo se utilizará el método geométrico.
La población actual será igual al total de la población encuestada más el 15 % de la población
estudiantil y población flotante, fuente municipio de Olmedo.
4.4.1. Población actual (agosto 2012)
(29)
74
4.4.2. Población futura urbana del cantón Olmedo (20años)
( ) (30)
Datos:
r = 1%
n = 20años
( )
4.5. Dotación de agua potable
La dotación es la cantidad de agua potable producida diariamente para satisfacer las necesidades
de la población, incluyendo los consumos: doméstico, comercial, industrial, público, consumo
por desperdicios y fugas, se los expresa en l/hab/día.
En función de condiciones climatológicas se tiene las siguientes dotaciones recomendadas:
Tabla 37. Dotaciones recomendadas
POBLACIÓN
(habitantes) CLIMA
DOTACIÓN MEDIA FUTURA
(l/hab/día)
Hasta 5000
5000 a 50000
Más de 50000
Frío
Templado
Cálido
Frío
Templado
Cálido
Frío
Templado
Cálido
120 – 150
130 – 160
170 – 200
180 – 200
190 – 220
200 – 230
200
220
230
Fuente: INEN. Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de
aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPE INEN 5 parte 9-1. Quito.
1992. p. 42.
75
Teniendo en cuenta la población futura de 1219 habitantes y que el clima del cantón Olmedo es
templado, así también asumiendo que el consumo del agua potable va a ser exclusivamente para
las necesidades en el hogar, la dotación media futura adoptada para este estudio es de 130
l/hab/día.
4.6. Variaciones de consumo
4.6.1. El consumo medio diario
(31)
Donde:
Qmed = El consumo medio anual diario (en l/s)
q = dotación media futura, 130 l/hab/día
N = número de habitantes.
4.6.2. Caudal máximo diario (QMD). El caudal máximo diario, es el día con máximo consumo
en el año.
(32)
Donde:
QMD = Caudal máximo diario (l/s)
KMD =coeficiente de variación del consumo máximo diario
El coeficiente de variación del consumo máximo diario (QMD) tiene un valor de 1.3 a 1.5,
recomendado por Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de
aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPE INEN 5 parte 9-1.Quit. 1992.
p. 43.
76
4.6.3. Caudal máximo horario
( ) (33)
Donde:
Qm = Caudal medio
Kmax.hor = coeficiente de variación del consumo máximo horario.
Los coeficientes de variación se derivan de las variaciones de la demanda debido a los días
laborables y otras actividades ya que los requerimientos de agua no son constantes durante el
año, ni en el día, sino que la demanda varía en forma diaria y horaria. Para determinar el
coeficiente de consumo máximo horario se determina la variación del consumo por hora y por
día durante un período del año
El coeficiente de variación del consumo máximo horario (Kmax.hor) tiene un valor de 2 a 2.3,
recomendado por Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de
aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPE INEN 5 parte 9-1:1992, pág.
43
4.7. Caudales de diseño
Para el diseño de la planta de tratamiento es necesario determinar los caudales de diseño, para
los elementos de un sistema de agua potable, necesarios para satisfacer la demanda de agua
potable presente y futura
Según las Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas
residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPEINEN 5 parte 9-1. Quio. 1992, p.
43. Se usan los caudales que se presentan a continuación:
77
Tabla 38. Caudales de diseño para los elementos de un sistema de agua potable
ELEMENTO CAUDAL
Captación de aguas superficiales
Captación de aguas subterráneas
Conducción de aguas superficiales
Conducción de aguas subterráneas
Red de distribución
Planta de tratamiento
Máximo diario + 20 %
Máximo diario + 5 %
Máximo diario + 10 %
Máximo diario + 5 %
Máximo horario + incendio
Máximo diario + 10 %
Fuente: INEN. Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de
aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPE INEN 5 parte 9-1. Quito.
1992, p. 44
4.7.1. Caudales de diseño para los elementos del sistema de agua potable
4.7.1.1. Cálculo del caudal de diseño para la planta de tratamiento de agua potable
(34)
Donde:
QDT = caudal de diseño para la planta de tratamiento, l/s
QMD = caudal máximo diario, l/s
4.7.1.2. Cálculo del caudal de diseño para la captación de aguas superficiales
(35)
Donde:
QDC = Caudal de diseño para la captación de aguas superficiales, l/s
QMD = Caudal máximo diario, l/s
78
4.7.1.3. Cálculo del Caudal de diseño para la conducción
(36)
Donde:
QDCo = Caudal de diseño para la conducción, l/s
QMD = Caudal máximo diario, l/s
4.7.1.4. Cálculo del caudal de diseño para la red de distribución
(37)
Donde:
QRD = Caudal de diseño para la red de distribución, l/s
QMH = Caudal máximo horario, l/s
4.8. Volumen de almacenamiento
En todo sistema de distribución de agua potable se construye depósitos para almacenar agua con
el objeto de:
• Compensar fluctuaciones de consumo.
• Combatir incendios.
• Suplir agua en caso de interrupción del abastecimiento.
• Mantener las presiones de servicio en la red de distribución
Según las Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas
residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes CPE INEN 5 parte 9-1:1992, p. 43. Para
poblaciones de hasta 3 000 habitantes futuros en la costa y 5 000 en la sierra, no se considera
79
almacenamiento para incendios, Para poblaciones menores a 5 000 habitantes, se tomará para el
volumen de regulación el 30% del volumen consumido en un día, considerando la demanda
media diaria al final del período de diseño y para comunidades con menos de 5 000 habitantes
no se calculará ningún volumen para emergencias.
El volumen total de almacenamiento será la suma volúmenes de regulación, emergencia, el
volumen para incendios.
4.8.1. Cálculo del volumen de almacenamiento
(38)
Donde:
VA= volumen de almacenamiento, no se considera
VR= volumen de regulación
VI= Volumen de incendios, “no se considera”
VE= volumen de emergencia, “no se considera”
El cantón Olmedo en la actualidad cuenta con un tanque de almacenamiento de 50m3.
80
4.9. Caudales de diseño para el proyecto
Tabla 39. Caudales de diseño
SECTOR
Caudal de
captación
l/s
Caudal de
conducción
l/s
Caudal de
tratamiento.
l/s
Caudal de
distribución
l/s
Volumen de
almacenamiento
m3
Parroquia
urbana
cantón
Olmedo
3.3 3.03 3.03 4.21 50
4.10. Volumen promedio de agua cruda en la vertiente
Para este proyecto del diseño de la planta de potabilización para el cantón Olmedo se utilizará
una fuente tipo vertiente.
La vertiente posee un considerable caudal de 1645 l/s en invierno y en verano se tiene un caudal
promedio de 6.16 l/s (agosto 2012), datos proporcionado por el municipio del cantón Olmedo.
81
5. CÁLCULOS
5.1. Cálculos de las unidades del sistema de agua potable
Las actividades industriales del ser humano han traído como consecuencia la contaminación de
las aguas superficiales con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus
características
Por esto es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de
tener agua apta para el consumo humano
a) Principales operaciones unitarias empleadas para el tratamiento del agua
Transferencia de sólidos.
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 los
últimos años con la ayuda de la coagulación.
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 y del medio poroso.
Este proceso se utiliza cuando el agua a tratar son claras y aguas poco turbias
Transferencia de iones.
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
82
remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza
carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal.
b) Procesos de tratamientos para la potabilización del agua.
El proceso de tratamiento para la potabilización de agua se planteó de la siguiente manera:
Un desarenador, de tal forma de eliminar material no deseado (arena) que es arrastrado por
el agua y que pueda afectar a los tratamientos posteriores.
Tratamiento químico, que consiste en la adición de una solución de cal, que permita la
formación de compuestos insolubles de los elementos no deseados presentes en el agua
cruda.
Un proceso de filtración, que se la realiza experimentalmente implementando una unidad de
filtración piloto similar a la que se va a emplear en el tratamiento y finalmente una
desinfección con hipoclorito de calcio.
Desinfección con hipoclorito de calcio
Luego del tratamiento realizado, se obtiene una calidad de agua adecuada para el consumo
humano, que cumple los parámetros de control establecidos en la Noma INEN 1108
5.2. Diseño de unidades
5.2.1. Desarenador rectangular de flujo horizontal. Es una obra hidráulica que sirve para
separar y remover el material sólido que lleva el agua desde una obra de toma.
Las partículas sedimentan al reducirse la velocidad con que son trasportadas por el agua a lo
largo del desarenador.
El desarenador se diseña para eliminar partículas de arena superiores a 0.2mm, una
granulometría inferior corresponde a procesos de sedimentación o presedimentacion. Según El
83
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS).
Tratamiento de agua para consumo humano, Manual I: Teoría Tomo II, Capítulo VII, pág. 25
El desarenador consta de los siguientes elementos:
- Estructura de entrada.
- Cámara desarenadora
- Paredes de distribución, para uniformizar las velocidades de flujo del agua en toda la sección
de la cámara.
- Estructura de salida.
5.2.1.1. Parámetros de diseño
Caudal de diseño, Qd: 3.03 l/s
Diámetro de partículas a remover, dp: 0.02 cm
Densidad de partículas, ρs: 2.65 g/cm3
Densidad del agua, ρa: 1 g/cm3
Temperatura, T: 20ºC
5.2.1.2. Cálculo de la velocidad de sedimentación
( )
(39)
Vs = Velocidad de sedimentación, en cm/s.
g = Aceleración de la gravedad = 980 cm/s2.
= densidad de la partícula = 2,65 g/ cm3
= densidad de la partícula a 20ºC 1,0 g/cm3
d = Diámetro de las partículas a remover = 0,02 cm.
η= Viscosidad cinemática del agua a 20ºC = 0,01007 cm2/s.
⁄
Cálculo del número de Reynolds
(40)
84
En número de Reynolds es mayor a 1, por lo tanto no encuentra en régimen laminar que
corresponde a la zona de Stokes. (Ver Tabla 6). Se calcula la velocidad de sedimentación en el
régimen de transición que corresponde a la zona Allen
Calculo de la velocidad de sedimentación en régimen de transición zona de Allen
(
)
(
(
)
) (41)
Vs = Velocidad de sedimentación, en cm/s.
g = Aceleración de la gravedad = 980 cm/s2.
= densidad de la partícula = 2,65 g/ cm3
= densidad de la partícula a 20ºC 1,0 g/cm3
d = Diámetro de las partículas a remover = 0,02 cm.
η= Viscosidad cinemática del agua a 20ºC = 0,01007 cm2/s.
⁄
Cálculo del número de Reynolds en la zona de Allen
(42)
De acuerdo al número de Reynolds, se encuentra en la zona de transición que corresponde a
la zona de Allen (Ver Tabla 6).
5.2.1.3. Cálculo del tiempo de sedimentación
(43)
Se asume 1,50 m de acuerdo a los criterios de diseño
85
Donde:
ts = Tiempo de sedimentación, s
H = Altura del desarenador, m.
Vs = Velocidad de sedimentación, m/s.
5.2.1.4. Cálculo del tiempo de retención hidráulico en el desarenador. Para el cálculo de la
eficiencia del desarenador se considera un desarenador con ausencia de pantallas deflectoras
(n=1) y para una remisión de partículas del 88% el número de Hazen tr/ts (ver tabla 9)
(44)
Donde:
tr = Tiempo de retención hidráulico en el desarenador, s
ts = Tiempo de sedimentación , s
5.2.1.5. Cálculo del volumen del desarenador
(45)
Donde:
Vd = Volumen útil del desarenador, en m3.
Qd = Caudal de diseño, m3/s.
Tr = Tiempo de retención, s.
5.2.1.6. Cálculo del área superficial del desarenador
(46)
86
Donde:
As = área superficial del desarenador, en m3.
Vd = Volumen útil del desarenador, en m3.
H = Altura del desarenador, m.
5.2.1.7. Cálculo de la carga hidráulica superficial en el desarenador
(47)
Donde:
q = carga hidráulica superficial del desarenador, en m/s.
Q = Caudal de diseño del desarenador, 3,03*10-3
en m3/s
Vsc = velocidad crítica de sedimentación, m/s.
Vs > Vsc, lo que indica que todas las partículas con diámetro a 0,2 mm serán retenías en el
desarenador. La carga hidráulica superficial es igual a la velocidad de sedimentación de la
partícula crítica en condiciones teóricas, Vsc
(
)
(
)
(48)
Vsc = Velocidad de sedimentación, en cm/s.
g = Aceleración de la gravedad = 980 cm/s2.
= densidad de la partícula = 2,65 g/ cm3
= densidad de la partícula a 20ºC 1,0 g/cm3
d = Diámetro de las partículas a remover = 0,02 cm.
η = Viscosidad cinemática del agua a 20ºC = 0,01007 cm2/s. ´
87
Teóricamente, se removerían partículas hasta de 0.025 mm, pero en las condiciones reales el
diámetro máximo posible de las partículas para ser removidas, es de 0.2 mm.
5.2.1.8. Cálculo de las dimensiones del desarenador
Relaciones de dimensiones recomendadas de diseño
Relación Longitud/Ancho: 4/1
(49)
(50)
√
(51)
Donde:
L = longitud del desarenador, en m.
B = ancho del desarenador, en m.
Vsc = velocidad crítica de sedimentación, m/s.
As = área superficial del desarenador, en m3.
(Ancho de la zona de sedimentación)
(Largo de la zona de sedimentación)
Cálculo de la velocidad de arrastre. Para la determinación de la velocidad de arrastre se emplea
la ecuación desarrollada por CAMPS SHIELDS en 1936
Es la velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de las partículas
√
( ) (52)
Donde:
Va = Velocidad arrastre, cm/s.
Q= Caudal de diseño, en m3/s.
A = Área transversal del desarenador, en m2.
88
g = Aceleración de la gravedad = 980 cm/s2.
= densidad de la partícula= 2,67 g/cm3.
dp = Diámetro de las partículas a remover = 0,02 cm.
= Factor de Darcy-Weisbach, 0,03 para el cemento
K = coeficiente K varía entre 0,04, para sedimentadores de partículas discretas, y 0,06 para
sedimentadores de sólidos floculentos.
⁄
5.2.1.9. Cálculo de la velocidad horizontal en el desarenador
(53)
(54)
Donde:
Vh = Velocidad horizontal en el desarenador, en m/s.
Q = Caudal de diseño, en m3/s.
A = Área transversal del desarenador, en m2.
H = Altura del desarenador, en m.
B = ancho del desarenador, en m.
⁄
⁄
La Vh<Va con lo que no habrá arrastre de las partículas sedimentadas
5.2.1.10. Cálculo de la velocidad máxima horizontal en el desarenador
Se considera un coeficiente de seguridad de 3 para la velocidad horizontal máxima
⁄ (55)
89
Donde:
Vhmax = Velocidad máxima horizontal en el desarenador, en m/s.
Va = Velocidad arrastre, en m/s.
f = factor de seguridad
⁄
⁄
La velocidad horizontal máxima de arrastre es mucho menor que la velocidad de arrastre, lo que
indica que no habrá re suspensión del material sedimentado
5.2.1.11. Cálculo de la zona de lodos
5.2.1.11.1. Cálculo de las pendientes de las placas de fondo del desarenador
a) Placa de entrada. Se asumió una pendiente de 10% (criterio de diseño de 5-10%). Para la
descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad.
(56)
(57)
Donde:
L’= Longitud de la primera parte del desarenador
L = Longitud del desarenador
X = pendiente del fondo del desarenador 5% - 10%
H’= altura de la zona de lodos
Se asume una pendiente de 10%
b) Placa de salida
(58)
90
(59)
Donde:
L’’= Longitud de la primera parte del desarenador
L= Longitud del desarenador
X’= pendiente de la segunda parte del fondo del desarenador
H’= altura de la zona de lodos
5.2.1.11.2. Cálculo del canal de limpieza de la zona de lodos. Se asume un valor de 0.2m de
ancho de canal de lavado y 0,15 m de alto del canal de lavado
Donde:
Ac= Ancho del canal de limpieza de la zona de lodos
Hc= Alto del canal de limpieza de la zona de lodos
Lc=Largo del canal de limpieza de la zona de lodos (el ancho desarenador)
5.2.1.12. Cálculo del tiempo de desagüe del desarenador
√
√ (60)
Donde:
t = Tiempo de vaciado, en s.
A = Área longitudinal (superficie) del desarenador = 0,85 m2.
C = Coeficiente de descarga, que depende de la relación L/D, donde L es la longitud de la
tubería recta y D el diámetro de la misma.= 0,6
ϕ = diámetro de la tubería 3 pulg
A’= Área del tubo, m2. =0,00456 m2
H = Profundidad del desarenador, en m.
91
5.2.1.13. Diseño de la zona de salida
5.2.1.13.1. Diseño del vertedero de salida
⁄ (61)
(
)
(62)
Donde:
Q = Caudal de diseño del desarenador m3/s
Hv = carga sobre la cresta, m
b = longitud de la cresta
Se asumió una longitud del vertedero igual al ancho del desarenador (parámetro de diseño)
b=0,46m
5.2.1.13.2. Cálculo de la velocidad de salida del vertedero
(63)
Donde:
Q = Caudal de diseño del desarenador m3/s
Hv = carga sobre la cresta, m
b = ancho del canal, m
V = Velocidad del agua a la salida del vertedero
⁄
92
5.2.1.13.3. Cálculo de la distancia a la que cae el chorro de agua a la salida del vertedero
Se diseña con la fórmula de tiro parabólico
(64)
(65)
Donde:
Vv = velocidad máxima en el vertedero igual a la velocidad máxima horizontal 0,062m/s
x’ = distancia horizontal x desde la cara del vertedero
t = tiempo de caída (tiempo en que una partícula de agua en la superficie viaja una
distancia x)
ϕ =ángulo de inclinación de la velocidad V con respecto a la horizontal
y = altura de la caída del chorro del vertedero, se asume una altura de 0,5 m
5.2.1.13.4. Dimensiones de la cámara de mezclado a la salida del desarenador. En este punto
se dosifica la solución de cal 0,1 %, de tal forma que se produzca un mezclado rápido y dar las
condiciones para la precipitación de los compuestos químicos que se desea reducir.
Como la caída del chorro es a 9,2 cm del borde se deja una distancia para evitar que choque con
la pared, se asume un valor de:
Se asumió un tiempo de mezcla de t = 10 s
(66)
1
0
93
Donde:
Q = caudal de diseño, 3,03 L/s
V = volumen de la cámara de mezclado, m3
t = tiempo de mezclado rápido, 10 s
Para que el agua permanezca 10 s. en la cámara de mezclado se debe diseñar un reservorio que
tenga una capacidad de 0,0303 m3.
Cálculo de la dimensiones de reservorio de mezcla
(67)
Donde:
V= volumen de la cámara de mezclado, m3
b = ancho de la cámara de mezclado, m (igual al ancho del desarenador)
x = largo de la cámara de mezclado, m
h = alto de la salida de la cámara de mezclado, m
Tabla 40. Dimensiones de la cámara de mezcla
Ancho
m
Largo
m
Alto de la salida del mezclador
m
Altura de las paredes
laterales del mezclador
m
0,46 0,2 0,35 0,5
5.2.1.14. Cálculo del diámetro de conducción desde la cámara de mezclado hasta el
reservorio del filtro rápido. La conducción se diseña asumiendo que el conducto trabajará a
flujo libre (gravedad). Por esta razón, se calcula el diámetro de la tubería de tal forma que no
esté llena. Para no trabajar con la tubería de conducción llena, se asume que conduce el doble
del caudal de diseño.
(68)
94
Donde:
Q = caudal, 6,06 x10e-3 m3/s
D = diámetro de la tubería de conducción, m
J = gradiente hidráulico (pendiente), 1-3%; se toma como gradiente 3%
C = coeficiente de Hazen-Williams, 150 para un tubo de PVC
5.2.1.15. Diseño de la zona de entrada
5.2.1.15.1. Cálculo de la cámara de entrada
(69)
Donde:
Q = caudal de diseño, 3,03 L/s
V’ = volumen de la cámara de entrada, m3
t = tiempo de recolección, 20s
Se considera que el ancho del tanque de recolección es igual a la del desarenador, 0,46m y un
lardo de tanque de recolección de 0,3 m.
5.2.1.15.2. Cálculo de la dimensiones de la cámara de entrada
(70)
Donde:
V = volumen de la cámara de entrada, m3
b = ancho de la cámara de entrada, 0.87 m (igual al ancho del desarenador)
x = largo de la cámara de entrada, m
h = alto de la cámara de entrada, m
Se considera una altura del borde libre de las paredes lateras de 20 cm sobre el nivel del agua.
95
5.2.1.15.3. Diseño del vertedero de entrada al desarenador
⁄ (71)
(
)
(72)
Donde:
Q = Caudal de diseño del desarenador m3/s
Hv = carga sobre la cresta, m
L’ = longitud de la cresta
Se asume una longitud igual al ancho del desarenador (parámetro de diseño) L’=0,46 m
5.2.1.15.4. Cálculo de la velocidad a la entrada del vertedero a la entrada del desarenador
(73)
Donde:
Q = Caudal de diseño del desarenador m3/s
Hv = carga sobre la cresta, m
b = ancho del canal, m
V = Velocidad del agua a la salida del vertedero
⁄
El agua pasa al desarenador por rebose del tanque y está ubicado 5 centímetros sobre el nivel
del agua en el desarenado para evitar turbulencia a la entrada de el mismo.
96
5.2.1.16. Cámara de aquietamiento de la captación
a) Cálculo de la cámara de aquietamiento
(74)
Donde:
Q = caudal de captación, 3,3 L/s
Va = volumen de la cámara de entrada, m3
t = tiempo de recolección, 45 s
b) Cálculo de la dimensiones de la cámara de aquietamiento. Se considera una sección
transversal cuadrada de 0,6 m de largo por 0,6 m de ancho
(75)
Donde:
V= volumen de la cámara de entrada, 0,149 m3
b = ancho de la cámara de entrada, 0,6 m
x = largo de la cámara de entrada, 0,6 m
h = alto de la cámara de entrada, m
5.2.2. Diseño de la unidad de Filtración Directa. La filtración es un proceso de purificación
del agua que consiste en hacerla pasar a través de capas de arena que constituyen el medio
filtrante; el cual luego de pasar por varios procesos ayuda a reducir el número de
microorganismos (bacterias, quistes, virus, etc.), eliminación de materia en suspensión, de
materia coloidal
De acuerdo a la condiciones tanto de agua cruda como las obtenidas luego de pasar por el
desarenado, el agua a tratar cumple con los paramento que se deben considerar para la Filtración
Directa
97
5.2.2.1. Parámetros de diseño. La tasa de filtración para unidades de filtración directa varía
entre (5.0 a 15) m/h para cualquiera lecho de filtración a utilizarse.
Las velocidades de lavado recomendadas fluctúan entre 0,9 m/min y 1,3 m/min. La expansión
de la arena durante el lavado permitirá determinar en el diseño la altura de la capa de agua sobre
el lecho filtrante.
Los parámetros para el diseño de la unidad de Filtración Directa se obtuvieron
experimentalmente en un filtro piloto.
Caudal a filtrar: Qf= 3,03*10-3
m3/s
Tasa de filtración Vf= 1,48* 10-3
m/s
Velocidad de lavado Vl= 1,25 m/min
5.2.2.1.1. Cálculo del área superficial
(76)
Donde:
A: área superficial del filtro, m2
Qf: Caudal a filtrar, m3/s
Vf: Velocidad de filtración, m/s
5.2.2.1.2. Cálculo de las dimensiones del filtro
Se impone un ancho del filtro de b=1,0 m
(77)
Donde:
A: área superficial, m2
b: ancho del filtro, m
L: longitud del filtro, m
La altura del filtro será 2 metros, teniendo como carga hidráulica disponible de 1m y 0,2 metros
de altura libre desde en nivel del agua
Sistema de entrada al filtro
98
5.2.2.1.3. Sistema de entrada al filtro
a) Cálculo de la cámara de entrada al filtro
(78)
Donde:
Q = caudal de diseño, 3,03 L/s
Vtr = volumen de la cámara de entrada, m3
t = tiempo de recolección, 15 s
Se considera que el ancho del tanque de recolección es igual a la del filtro, 1,0 m y un lardo
de tanque de recolección de 0,2 m
b) Cálculo de la dimensiones de la cámara de entrada
(79)
Donde:
V = volumen de la cámara de entrada, m3
b = ancho de la cámara de entrada, 0,78 m
x = largo de la cámara de entrada, m
h = alto de la cámara de entrada, m
Se considera una altura del borde libre de las paredes lateras de 20 cm sobre el nivel del agua
c) Cálculo del vertedero de entrada al filtro directo
⁄ (80)
(
)
(81)
99
Donde:
Q= Caudal de diseño del desarenador L/s
Hv= carga sobre la cresta, m
L’= longitud de la cresta
Se asume una longitud del vertedero de L’= 1,0 m
5.2.2.1.4. Sistema de drenaje. Para el sistema de drenaje se utilizara sistema múltiple y laterales
5.2.2.1.4.1. Tubos laterales
a) Cálculo del área de los orificios
Tomando como criterio de diseño que:
(82)
Se toma como relación de criterio 3*10-3
(83)
b) Diámetro de cada orificio
Se asume un diámetro del orificio de 6,4 mm. Criterio de diseño
(84)
Donde:
Ao =arena de los orificios de los laterales, m2
D =diámetro de los orificio de los laterales
100
c) Cálculo del número de orificios
d) Cálculo del área de cada latera
Tomando como criterio de diseño que:
(85)
Se adopta un valor de la relación de 3
(86)
Tomando diámetros de los laterales de 1,5 pulgadas.
(87)
Donde:
Al =arena de cada lateral, m2
Dl =diámetro de cada lateral, 0,0381 m
e) Cálculo del número de laterales
(88)
101
Donde:
Nl = número de laterales
Als = área de laterales, m2
Al = área de cada latera, m2
Se toma 16 laterales para el diseño. Tomando como 8 laterales a cada lado
f) Cálculo de la longitud de la separación de los laterales
(89)
Donde:
sl = separación de los laterales, m
Lf = longitud del filtro, 2 m
Nl = número de laterales por lado, 8 laterales por lado
g) Cálculo del número de orificios por laterales
(90)
Donde:
Nol = número de orificios por lateral
No = número de orificios totales, 188
Nl = Numero de laterales
Como se realizan 2 orificios en la misma vertical separas 30º uno del otro con respecto a la
vertical, el número de orificios por lateral son 6 pares.
h) Cálculo de la separación entre orificios. Como el ancho del filtro es de 1 metro se considera
como longitud de cada lateral de 45cm dejando un espacio de 10 cm para la ubicación del tubo colector
5 cm por cada lado.
102
(91)
Donde:
Se = separación de los orificios, m
Ll = longitud del lateral, 0.45 m
No = número de orificio por lateral
5.2.2.1.4.2. Tubo colector
a) Cálculo del área del tubo colector
Se debe cumplir que:
(92)
Se toma como valor de la relación 1,5
b) Cálculo del diámetro del tubo colector
√
(93)
Donde:
Dc = diámetro de tubo colector, m
Ac = área del tubo colector, m2
c) Caudal de lavado por lateral
(94)
103
Donde:
Ql = caudal de lavado, 0.0504 m3/s
Qla = caudal de lateral, m3/s
Nl = número de laterales, 16
⁄
d) Cálculo de la velocidad de cada lateral
(95)
Donde:
Vla = velocidad por lateral, m/s
Qla = caudal de lateral, m3/s
Al = área del lateral, 0.0012 m2
⁄
Cumple con el criterio de diseño de que la velocidad de lateral debe ser menor a 3 m/s
5.2.2.2. Canal de recolección del agua de lavado
a) Cálculo del caudal del lavado
El caudal de lavado, se calcula con un 20-30% más de caudal de lavado, se toma 20%
(96)
Donde:
Ql = caudal de lavado, m3/s
Vl = velocidad de lavado, 0.021 m/s
Af = Área del filtro, 2m2
b) Cálculo del número de canales de recolección. Para el ancho del filtro de 1 m y tomando
los criterios de recorrido de las partículas de ser menor de 0,9 m y que desde el borde del
104
muro del filtro a la canaleta debe de tener un distancia máxima de 0,9 m, se diseña un solo
canal de recolección colocado en la mitad del ancho del filtro.
La parte inferior del canal se coloca 5 cm por encima del lecho filtrante expandido.
c) Cálculo de las dimensiones del canal de recolección. Toma como ancho del canal 0.3 m y
una pendiente del canal del 2% para facilitar que el agua fluya con facilidad y evitar la
acumulación de sólidos.
(
)
(97)
Donde:
hc = alto del canal de recolección, m
Ql = caudal de lavado, 50,4 m3/s
bc = ancho del canal de recolección, 0,3 m
Se toma como altura de resguardo de 5 cm
5.2.2.3. Cálculo de la expansión durante el lavado del medio filtrante. Para el cálculo de la
expiación de la arena se considera que el lecho filtrante se estratifica, por lo que es necesario
calcular la expansión de cada capa formada en el lecho filtrante.
El cálculo se lo realiza para la capa más fina de arena estratificada del medio filtrante.
Es necesario el análisis granulométrico del medio filtrante
Datos:
ρa = densidad del agua : 1000 kg/m3
ρs = densidad del arena : 2650 kg/m3
g = gravedad : 9,8 m/s2
Ce = coeficiente de esfericidad : se toma un valor de 0,8 (ver tabla 15)
Va = velocidad de lavado : 0,0208 m/s
d1 = diámetro del tamiz 60 : 0,25mm
d2 = diámetro del tamiz 50 : 0,297mm
105
μ = viscosidad del agua : 0,001 kg/s*m
ε0 = porosidad de la arena : (0,42-0,47) se toma un valor de 0,47 (ver Tabla 14)
5.2.2.3.1. Cálculo del diámetro equivalente de la capa estratificada más fina del lecho
filtrante. Del análisis granulométrico del medio filtrante, se obtiene los diámetros de dos
tamices consecutivos, en los cuales haya sido retenida la capa de arena más fina del medio
filtrante.
√ 98
Donde:
De = diámetro equivalente de la capa de arena, mm
d1 = diámetro del tamiz Nº 60, mm
d2 = diámetro del tamiz Nº 50, mm
5.2.2.3.2. Cálculo del número de Reynolds
(99)
Donde:
ρa = densidad del agua : 1000 kg/m3
Va = velocidad de lavado : 0,0208 m/s
μ = viscosidad del agua : 0,001 kg/s*m
De = diámetro equivalente de la capa de arena, 2,7*10e-4 m
- Cálculo del número de galileo
( )
(100)
Donde:
ρs = densidad del agua : 2650 kg/m3
Va = velocidad de lavado : 0,0208 m/s
106
μ = viscosidad del agua : 0,001 kg/s*m
g = gravedad : 9,8 m/s2
ρa = densidad del agua : 1000 kg/m3
De = diámetro equivalente de la capa de arena, 2,7*10e-4 m
- Cálculo de la porosidad de la capa más fina del lecho filtrante
Con los números de Reynolds y de Galileo calculados se obtiene del figura 22. La porosidad
expandida de la capa de arena más fina (ε1), del lecho filtrante que se está analizando
Figura 22. Porosidad del lecho expandido (Ei) en función del número de Galileo (Ga) y del
número de Reynolds (Re) para Ce = 0,90
De la Figura 22, ε1= 0.86 (expansión de la capa más fina del lecho filtrante)
107
- Cálculo de la expansión promedio del medio filtrante
Tabla 41. Porosidad expandida de cada capa de arena del lecho filtrante
n d1
mm
d2
mm
De
mm
De
M xi Ga Re εi Xi/(1-εi)
1 1,68 1,19 1,41 1,41E-03 0,19 45708 30 0,47 0,36
2 1,19 0,84 1,00 1,00E-03 0,28 16160 21 0,55 0,63
3 0,84 0,59 0,70 7,04E-04 0,30 5642 15 0,63 0,80
4 0,59 0,42 0,50 4,98E-04 0,14 1995 10 0,71 0,49
5 0,42 0,297 0,35 3,53E-04 0,06 712 7 0,79 0,26
6 0,297 0,25 0,27 2,72E-04 0,02 327 6 0,86 0,14
1,0 2,68
∑ ( )⁄ (101)
Donde:
Ee = porosidad expansión promedio del lecho filtrante
xi = fracción en peso entre dos tamices consecutivos
εi = porosidad expandida cada capa del lecho filtrante
- Cálculo del porcentaje promedio de la expansión del lecho filtrante
(102)
Donde:
Ee= porosidad expansión promedio del lecho filtrante
E0 = porosidad de la arena estática, se asume un valor de 0,47 (ver tabla 14)
%E = porcentaje de expansión del lecho filtrante
108
- Cálculo de la longitud de expansión
(103)
Donde:
Le = altura del lecho expandido, m
L = Altura del lecho filtrante estático, 0,6 m
%E = porcentaje de expansión del lecho filtrante
5.3 Dosificación de productos químicos
5.3.1. Solución de cal. La dosificación de la solución de cal, necesaria para la dar las
condiciones de precipitación del fosforo (Fosfato) y aluminio presentes en el agua cruda, la
dosificación se la realiza por gravedad desde un tanque de almacenamiento.
(104)
(105)
(106)
Donde:
C2 = concentración a dosificar al agua cruda=10 ppm
Q2 = caudal del diseño, 3,03 L/s
C1 = Concentración de la solución de cal = 10 % (p/v)=100000 ppm
Q1 = caudal de la solución de cal 10% (p/v) a dosificar
Se debe dosificar 18.18 ml de la solución de cal al 10 % por minuto, para tratar un caudal de
3.03 L/s.
109
5.3.2. Desinfección. La dosificación de cloro líquido, necesaria para la desinfección del agua
tratada, se la realiza por gravedad desde un tanque de almacenamiento.
(107)
Donde:
C2 = Concentración a dosificar al agua cruda= 2 ppm
Q2 = Caudal del diseño, 3,03 L/s
C1 =Concentración de la solución de hipoclorito de calcio = 0,1% (p/v)=1000ppm
Q1 = caudal de la solución de hipoclorito de calcio 0.1% (p/v) a dosificar
Se debe dosificar 366 ml de la solución de hipoclorito de calcio al 0,1 % por minuto, para tratar
un caudal de 3,03 l/s
110
6. RESULTADOS
6.1. Caudales de diseño
Tabla 42. Caudales de diseño
SECTOR
Caudal de
captación
l/s
Caudal de
conducción
l/s
Caudal de
tratamiento
l/s
Caudal de
distribución
l/s
Volumen de
almacenamiento
m3
Cantón
Olmedo 3.3 3.03 3.03 4.21 50
6.2. Dimensiones de la unidad desarenadora
Tabla 43. Dimensiones del desarenador
Largo, m 1.84
ancho, m 0.46
alto, m 1,5
Tabla 44. Zona de lodos
Placa de
entrada
Placa de
salida
Canal de
limpieza
largo, m 0.61 largo, m 1.23 Largo, m 0.46
alto, m 0,06 alto, m 0.06 ancho, m 0,2
alto, m 0,15
111
Tabla 45. Dimensiones de la zona de entrada
Cámara de entrada Vertedero de entrada
Largo, m 0,3 ancho, m 0,46
ancho, m 0,46 Alto de la
cresta, m 0,025
alto, m 0,3
Tabla 46. Dimensiones de la zona de salida
Vertedero de salida
ancho, m 0,78
Alto de la
cresta, m 0,023
6.2.1. Dimensiones de la cámara de mezclado
Tabla 47. Dimensiones de la cámara de mezcla
Ancho
m
Largo
m
Alto de la salida del
mezclador
m
Altura de la
caída del agua
m
0.46 0.2 0.35 0.5
6.3. Dimensiones del filtro
Tabla 48. Dimensiones del filtro
Ancho
m
Largo
m
Alto
m
1.0 2.0 2.0
112
Tabla 49. Dimensiones de la zona de entrada
Cámara de entrada
de filtro vertedero de entrada
Largo, m 0,2 ancho, m 1
ancho, m 1 Alto de la
cresta, m 0,014
alto, m 0,25
Tabla 50. Dimensiones del sistema de drenaje del filtro
Sistema de drenaje
Tubos laterales Tubo colector
numero de laterales 16 diámetro del colector, pulg 4
separación entre laterales, m 0,25 longitud del tubo colector, m 2
numero de orificios por lateral 12
separación entre los orificios, cm 7.5
diámetro de los orificios, cm 0.64
diámetro del lateral, pulg 1,5
longitud del lateral, m 0,45
Tabla 51. Dimensiones del canal de lavado
Ancho
m
Largo
m
Alto
m
0.3 2.0 0.35
6.4. Resultados de la evaluación de la unidad de filtro piloto
Tabla 52. Velocidad y caudal de lavado
Tiempo
promedio, s
Distancia
recorrida en el
filtro, cm
Velocidad de
lavado m/min
Norma IEOS
m/min
Caudal de lavado
l/min
14,27 0,20 0,84 0,6-0,9 6.8
9,60 0,20 1,25 0,6-0,9 10.1
6,93 0,20 1,73 0,6-0,9 14.0
113
Tabla 53. Porcentaje de expansión de la arena
Velocidad
de lavado
m/min
altura de la
expansión de
la arena, cm
altura del
medio
filtrante, cm
% de expansión
experimentalmente
% de
expansión
calculado
Normas
IEOS
%
expansión
0.84 10 60 17 - 15-50
1.25 18 60 30 43 15-50
1.73 25 60 42 - 15-50
6.5. Desinfección del agua tratada
Tabla 54. Cloro residual en función del tiempo del agua tratada
Muestras
1 2 3 4 5
Dosis, ppm
0.1 0.8 1.3 2.0 2.6
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
Tiempo
min
Cloro
residual
mg/L
0 0,1 0 0,8 0 1,3 0 2 0 2,6
5 0 5 0,5 5 1,2 5 1,8 5 2,3
10 0 10 0,45 10 1 10 1,6 10 2,1
15 0 15 0,4 15 0,9 15 1,4 15 1,9
20 0 20 0,3 20 0,8 20 1,35 20 1,8
25 0 25 0,25 25 0,85 25 1,3 25 1,7
30 0 30 0,2 30 0,75 30 1,2 30 1,55
114
Gráfico 2. Cloro residual del agua tratada en función del tiempo
6.6. Pérdidas de carga del medio filtro
Tabla 55. Pérdidas de carga del medio filtrante en función de tiempo de carrera del filtro
n
Horas
de
lectura
Tiempo
horas
Turbiedad
del agua
filtrada
NTU
Perdida de
carga
cm
Tasa de filtración
P1 P2 P3 Tasa de filtración
m3/m
2*día
1 8:30 0 6 0 11 13,5 128
2 10:30 2 4 0 13 16 128
3 12:30 4 5 0 14 17 128
4 14:30 6 5 0 16,5 19,6 128
5 16:30 8 <4 0 19 21,8 128
6 18:30 10 <4 0 20,3 23,2 128
7 20:30 12 <4 0 21,5 25,4 128
8 7:00 22.5 <4 0 28,6 33 128
9 9:00 24.5 <4 0 30,5 34,6 128
10 11:00 26.5 <4 0 32,5 35,7 128
11 13:30 29 <4 0 33,7 37,1 128
LAVADO
- - 0 - 0 9,0 10.5 -
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 10 20 30 40
Clo
ro r
esi
du
al, m
g/l
Tiempo, min.
Cloro libre residual = f(tiempo)
2.6 ppm
2 ppm
1.3 ppm
0.8 ppm
0.1 ppm
115
Gráfico 3. Pérdidas de carga del medio filtrante en función de tiempo de carrera
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25 30 35
Per
did
as d
e ca
rga,
cm
Tiempo, horas
Peridas de carga = f(tiempo)
P2 P3 P3
116
7. DISCUSIÓN
El diseño propuesto para la potabilización del agua se encuentra enfocado de tal manera que
se aproveche las condiciones geográficas del lugar en la conducción y captación del agua
cruda. Teniendo en cuenta estas condiciones se propuso el diseño de una planta cuyo proceso
de tratamiento se da por gravedad, resultando un diseño económico y factible en la
construcción.
El dimensionamiento de la unidad desarenadora, se realizó a partir de las partículas a ser
removidas del agua a tratar, al no poder determinar un diámetro equivalente de las partículas
(arena) en el agua cruda, se optó por un diámetro mínimo de partículas teóricamente a ser
removidas, este diámetro fue considerado de 0.02mm, diámetro minino de arena a ser
removido en un desarenador, lo que indica que partículas de diámetro mayor a esta serán
removidos
UNIDAD DE FILTRACION PILOTO
Para la determinación de variables que permitan el diseño de la unidad de filtración, se
utiliza una unidad de filtración piloto de iguales características a la que se va a diseñar y en
el que se realizan ensayos operativos. También se emplea agua para la experimentación,
cuyas características físicas (turbiedad, color, solidos totales disueltos), son mayores a las
medidas en épocas de invierno a tratar en la lugar
Al considerar una carga hidrostática 1m, en el diseño de la unidad de filtración, en la Tabla
31., se puede observar que esta permite tener mayor tiempo de tiempo de filtración, ya que
las pérdidas de presión generadas al pasar por el lecho filtrante no son considerables, pero al
ir taponándose la porosidad del lecho filtrante esta va a ir aumentando, lo que al tener una
carga hidrostática alta nos permite tener un mayor tiempo de operación del filtro, hasta que
este afecte al proceso de filtración.
117
Observamos que la muestra de agua preparada (simulada), contiene parámetros altos con
respecto a las muestras de agua cruda obtenidas tanto en invierno como en verano, además la
apariencia de esta es blanquecina producto de la mezcla con la bentonita mientras que las dos
muestras de aguas cruda tienen una apariencia trasparente. Se tomó la concentración de
bentonita de 10 ppm para queriendo simular condiciones extremas (ver tabla 30), además se
debe tener en cuenta que la mayor parte del año el cantón Olmedo se encuentra en verano
El análisis se las condiciones microbiológicos hacen necesario realizar un proceso
desinfección, la cual se emplea una solución hipoclorito de calcio 0.1% p/v. la dosificación
se la realiza teniendo en cuenta que al momento del consumo se debe tener un residual de
cloro libre de 0,3 a 0,5 mg/L, de acuerdo a la Norma INEN 1108. Se emplea el hipoclorito
de calcio porque es más estable que el hipoclorito de sodio, no se evapora y la concentración
del hipoclorito de calcio no disminuye en el agua como la de sodio, además la concentración
de cloro en el hipoclorito de calcio (30-75 %) es mayor que la del hipoclorito de sodio (10-
15 %)
La precipitación de los compuestos se la realiza mediante la modificación del pH,
produciendo que la disminución de solubilidad de los compuestos a reducir provocando que
precipiten. Esto se hace al dosificar una solución de cal 0.1% p/v, aumentando el pH
disminuyendo la solubilidad de los compuestos de aluminio y fosforo, disminuyendo la
concentración de 0.285 a 0.02 mg/l de P-fosfato y 0.982 a 0.08 mg/L de ion Aluminio
118
8. CONCLUSIONES
Se diseñó la planta de potabilización del agua para la parroquia urbana del canto Olmedo,
provincia de Loja garantizando mediante ensayos en planta piloto y a nivel de laboratorio
que el agua tratada cumpliría con las especificaciones según la norma INEN 1108, para agua
potable.
Se obtuvo una dosis de cal de 10 ppm, la cual fue favorable en la precipitación de los
elementos que se requiere reducir(P-fosfato y el Al3+
) y cumplir con los niveles establecidos
en la Norma INEN 1108 para agua potable (ver Tabla 21)
De los resultados de las pruebas de tratabilidad a nivel de laboratorio se concluye que se
requiere de 18.18 ml/min un solución de cal al 10% como agentes coadyuvante en la
precipitación de elementos no deseados y 12.1 ml/s de una solución de hipoclorito de calcio
0.1%
La determinación del tiempo de residencia, del desarenador, fue obtenido experimentalmente
y verificado teóricamente mediante criterios de diseño, el tiempo requerido para que los
sólidos suspendidos como la turbiedad en el agua cruda permanezcan constante de 25
minutos, valor que se encuentra dentro de criterios teóricos, obtenidos para el diseño
La disminución tanto el fosforo contenido en el agua como P-fosfato y el ion aluminio se
redujo considerablemente de 0.285 a 0.02 mg/l el contenidos de P-fosfato y 0.982 a 0.08
mg/L de ion Aluminio, entrando en parámetros establecidos con la NORMA INEN-1108
para agua potable.
Se obtienen con un caudal de lavado del lecho filtrante de 10.1 l/min, produce una expansión
del lecho filtrante de 30% y que calculada teóricamente de 43%. Expansión que está dentro
de la norma, que estable un valor de expansión de entre 15-50%.
Se estableció un tiempo de lavado de 10 min disminuyendo la turbiedad de 755 a 9 NTU, así
mismo, luego del lavado se realiza un drenado de 8 min para la estabilización de la arena
119
fluidizada, obteniéndose en este tiempo una turbiedad de filtración menor a 4 NTU, valor
que concuerda con la NORMA INEN 1108 de agua potable que es menor a 5 NTU
Las características del lecho filtrante en la unidad piloto de filtración permiten tratar aguas
cuyos parámetro de turbiedad, color y solidos suspendidos permanezcan estables el mayor
tiempo de operación. En la tabla 31. La turbiedad del agua obtenida durante el proceso de
filtración permanece en el límite máximo permisible en la NORMA INEN 1108 bebido
principalmente a los parámetros altos (turbiedad, color y solidos totales suspendidos) del
agua empleada en la experimentación
La tabla 31. Muestra que la mayor parte de partículas quedan retenidas en los primeros 30
cm del lecho filtrante, lo que indica que a medida que pasa el tiempo va saturándose todo el
lecho filtrante disminuyendo la tasa de filtración indicando que el lecho filtrante requiere una
lavado. En las 29 horas de trabajo se obtuvieron aproximadamente 40cm de pérdidas de
presión en el filtro. La mayor pérdida que se puede producir es de 200 cm que es toda la
altura del filtro incluida la carga hidrostática de 100 cm, ates de realizar el retrolavado.
120
9. RECOMENDACIONES
Realizar un estudio económico para la implementación de la planta para el tratamiento del
agua y del sistema de retrolavado de la unidad de filtración rápida y satisfaces las
necesidades de la población de agua potable
Equipar un laboratorio de control de calidad con equipos básicos como, turbudirmetro
espectrofotómetro y con esto monitorear constantemente el agua que ingresa a la planta de
potabilización y el agua que resulta del tratamiento. Comprobando la calidad del agua que se
entrega a la población para su consumo
Establecer la carrera de filtración con las características propias del agua cruda para
establecer parámetros de operación
Realizar mantenimientos preventivo a todas las unidades cada años y realizar constantes
análisis de las características físico químicas y bacteriológicas del agua cruda y del agua
potable de tal forma de cumplir con las normas establecidas para agua potable; NORMA
INEN-1108, garantizando el agua entregada
121
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo I.
“Aspectos fisicoquímicos de la calidad del agua” Lima-Perú. 2004. p. 3.
[2] Ibíd., p. 13
[3] MORENO Ros, Antonio. Capítulo 8. Procesos químicos, Precipitación, coagulación y
floculación. [En línea]. Mailxmail. 2011. [Fecha de consulta: 21 de agosto del 2013].
Disponible en: http://www.mailxmail.com/curso-agua-tratamientos-1-2/procesos-
quimicos-precipitacion-coagulacion-floculacion
[4] CEPIS. Guía para el diseño de desarenadores y sedimentadores. Lima-Perú. 2005. p. 3.
[5] CEPIS, Op. Cit., p. 45
[6] ARBOLEDA, Jorge. Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. Tomo I. Tercera
Edición. Colombia. 2000. p. 207
[7] CEPIS, Op. Cit., p. 5
[8] CRUZ HERNÁN, Camilo. Diseño y Evaluación del Desarenador. Área de Ingeniería
Sanitaria y Ambiental. 2010. [Fecha de consulta: 26 de octubre del 2013]. Disponible
en:https://campusvirtual.univalle.edu.co/moodle/pluginfile.php/210898/mod_resource/c
ontent/0/Clases/desarenador_2010.pdf
[9] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
“Sedimentación”. Lima-Perú. 2004. p. 23.
[10] CEPIS. Guía para el diseño de desarenadores y sedimentadores. Lima-Perú. 2005. p. 18.
[11] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
“Filtración”. Lima-Perú. 2004. p. 83.
122
[12] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual II: Diseño de plantas de
tecnología apropiada. Lima-Perú. 2004. p. 190.
[13] IBID (11), p. 118
[14] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
“Filtracion”. Lima-Perú. 2004. p. 119.
[15] CEPIS. Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. 1973. P. 365.
[16] CEPIS, Op. Cit., p. 107
[17] SILVA Luis Felipe. Diseño de plantas de purificación de agua. U.S.T.A. Universidad de
Santo Tomás. 1974. P.96.
[18] ARBOLEDA Jorge. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo II. Tercera
Edición. Colombia. 2000. P. 489
[19] CUBIDES ROJAS, Elena Roció. Viabilidad de la filtración directa de agua dulce para
hangares flotantes. Bogotá. 2010. [Fecha de consulta: 16 de abril del 2014]. Disponible
en: http://repository.lasalle.edu.co/bitstream/10185/15011/1/T41.10%20R638v.pdf
[20] CEPIS. Tratamiento de agua para consumo humano. Manual I: Teoría. Tomo II.
“Desinfección”. Lima-Perú. 2004. p. 155.
[21] CEPIS, Op. Cit., p. 175.
123
BIBLIOGRAFÍA
ARBOLEDA Jorge. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomos I y II. Tercera edición.
Mc GRAW-Hill. Colombia. 2000.
CEPIS. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Tratamiento de
agua para consumo Humano. Manual de Teoría. Tomos I y II. Lima- Perú. 2004.
CEPIS. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Tratamiento de
agua para consumo Humano. Manual III: Evaluación de Plantas de Tecnología apropiada. Lima-
Perú. 2008.
CEPIS. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiento .Teoría, diseño y
control de los procesos de clarificación del agua. 1973
CEPIS. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Operación y
mantenimiento de plantas de tratamiento de agua. Lima-Perú. 2002
CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN. C.E.C. Normas para estudio y diseño
de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000
habitantes. Primera edición. 1992
GARAVITO SILVA Luis Felipe. Diseño de plantas de purificación de agua. Primera edición.
U.S.T.A. Universidad de Santo Tomás. 1974
124
ANEXOS
125
ANEXO A. Ensayos de Tratabilidad
Figura: A.1. Ensayos para la determinación de cloro libre residual
126
ANEXO B. Ensayos en unidad piloto
Figura B.1. Muestra de agua cruda
Figura B.2. Unidad piloto de filtración
127
Figura B.3. Captación de la unidad de filtro piloto
Figura B.4. Bomba de alimentación de agua cruda y retrolavado de la unidad piloto
128
Figura B.5. Dispositivo para medir la altura de la expansión del medio filtrante durante el
retrolavado
Figura B.6. Muestras obtenidas durante la experimentación, filtrado, lavado y drenado
129
ANEXO C. Diagrama de flujo del tratamiento del agua
130
ANEXO D. Desarenador
DESARENADOR
VISTA SUPERIOR
VISTA FRONTAL
131
ANEXO E. Filtro rápido de arena
FILTRO RAPIDO DE ARENA
VISTA FRONTAL SISTEMA DE DRENAJE
132
ANEXO F. Sistema de drenaje del filtro
SISTEMA DE DRENAJE DEL
FILTRO RÁPIDO DESCENDENTE
VISTA FRONTAL
133
ANEXO G. NORMA INEN 1108
134
CONTINUACIÓN ANEXO G
135
CONTINUACIÓN ANEXO G
136
CONTINUACIÓN ANEXO G
137
CONTINUACIÓN ANEXO G