GUIA DE DISEÑO PTAP UNAD

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente

Diseño de Plantas Potabilizadoras

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS, PECUARIAS

Y DEL MEDIO AMBIENTE

358040 – DISEÑO DE PLANTAS POTABILIZADORAS

NOMBRE DEL DIRECTOR DE CURSO

(Director Nacional)

NOMBRE DE ACREDITADOR

(Acreditador)

BOGOTA

2013

1




Contenido

1.1 UNIDAD 1. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ..................................................... 10

1.1.1 LECCIÓN 1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO ................... 10

1.1.2 LECCIÓN 2: CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA .................................. 18

1.1.3 LECCIÓN 3: NORMATIVIDAD ................................................................... 22

1.1.4 LECCIÓN 4: DETERMINACIÓN Y PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN DE

DISEÑO ............................................................................................................... 27

1.1.5 LECCIÓN 5. EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN ........................... 33

1.2 CAPÍTULO 2: CALCULO DE DOTACIONES ..................................................... 38

1.2.1 LECCIÓN 6. CONSUMO DE AGUA ........................................................... 38

1.2.2 LECCIÓN 7: CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO

................................................................................................................... 41

1.2.3 LECCIÓN 8. CALCULO DE CAUDALES .................................................... 43

1.2.4 LECCIÓN 9: CAUDAL DE INCENDIOS ...................................................... 45

1.2.5 LECCIÓN 10. EJEMPLO DE APLICACIÓN ................................................ 47

1.3 CAPÍTULO 3: INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN Y

PRE TRATAMIENTO ................................................................................................... 50

1.3.1 LECCIÓN 11. PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE

AGUA: .................................................................................................................. 50

1.3.2 LECCIÓN 12. TRANSFERENCIA DE IONES ............................................. 56

1.3.3 LECCIÓN 13: TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR ................. 58

1.3.4 LECCIÓN 14. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN 60

1.3.5 LECCIÓN 15. PRE TRATAMIENTOS ......................................................... 70

2 UNIDAD 2. PROCESOS UNITARIOS TRANSFERENCIA DE IONES CAPITULO 4

COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA ........................................................................... 83

2.1.1 LECCIÓN 16: PARTÍCULAS COLOIDALES ............................................... 83

2.1.2 LECCIÓN 17: TEORÍA DE LA COAGULACIÓN. ........................................ 88

2.1.3 LECCIÓN 18: COAGULANTES .................................................................. 93

2.1.4 LECCIÓN 19: MEZCLA RÁPIDA ................................................................ 97

2.2 CAPITULO 5 : FLOTACIÓN. ........................................................................... 118

2.2.1 LECCIÓN 21: CONCEPTOS TEÓRICOS ................................................. 118

2.2.2 LECCIÓN 22: SISTEMAS DE FLOTACIÓN .............................................. 120

2.2.3 LECCIÓN 23. SISTEMA FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (Dissolved Air

Flotation) ............................................................................................................ 122

2.2.4 LECCIÓN 24. AIREADORES POR ASPERSIÓN, DE EFLUENTES O

SURTIDORES .................................................................................................... 125

2.2.5 LECCIÓN 25. EJERCICIOS DE DISEÑO ................................................. 131

2.3 CAPITULO 6. DESINFECCIÓN ....................................................................... 135

2.3.1 LECCIÓN 26 GENERALIDADES .............................................................. 135

2.3.2 LECCIÓN 27. TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN ....................................... 138

2.3.3 LECCIÓN 28. TIPOS DE DESINFECCIÓN. ............................................. 141

2.3.4 LECCIÓN 29. EL CLORO ......................................................................... 145

2.3.5 REACCIONES DEL CLORO EN EL AGUA Y SU RELACIÓN CON EL

PROCESO DE CLORACIÓN ............................................................................. 146

2.3.6 LECCIÓN 30. DOSIFICACIÓN ................................................................. 148

3 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS .............. 158

2




3.1 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS.

CAPITULO 7 FLOCULACIÓN .................................................................................... 158

3.1.1 LECCIÓN 31. TEORÍA DE LA FLOCULACIÓN ........................................ 158

3.1.2 LECCIÓN 32. CLASIFICACIÓN DE LOS FLOCULADORES. ................... 160

3.1.3 LECCIÓN 33 FLOCULADORES HIDRÁULICOS ...................................... 161

3.1.4 LECCIÓN 34: FLOCULADOR DE FLUJO HORIZONTAL ......................... 166

3.1.5 LECCIÓN 35. EJEMPLO DE DISEÑO FLOCULADOR ............................. 170

3.2 CAPITULO 8: SEDIMENTACIÓN .................................................................... 176

3.2.1 LECCIÓN 36: PROCESO DE TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS:

SEDIMENTACIÓN FUNDAMENTOS ................................................................. 176

3.2.2 LECCIÓN 37: CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE

SEDIMENTACIÓN.............................................................................................. 183

3.2.3 LECCIÓN 38: SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL ................ 191

3.2.4 LECCIÓN 39: CRITERIOS DE DISEÑO PARA SEDIMENTADORES

HORIZONTALES (CONVENCIONALES) ........................................................... 196

3.2.5 LECCIÓN 40: EJEMPLO DE DISEÑO ...................................................... 198

3.3 CAPITULO 9: FILTRACIÓN ............................................................................. 202

3.3.1 LECCIÓN 41. TEORÍA DE LA FILTRACIÓN ............................................ 202

3.3.2 LECCIÓN 42. MECANISMOS DE FILTRACIÓN ....................................... 207

3.3.3 LECCIÓN 43. CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS ............................ 212

3.3.4 LECCIÓN 44: PARÁMETROS DE DISEÑO.............................................. 220

3.3.5 LECCIÓN 45: EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS ................................. 225

4 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 230

3




ÍNDICE DE TABLAS

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

........................................................................................................................................ 21

Tabla 2 Características físicas ......................................................................................... 22

Tabla 3 Características Químicas .................................................................................... 23

Tabla 4. Características Microbiológicas .......................................................................... 23

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

el cálculo del IRCA .......................................................................................................... 24

Tabla 6. Clasificación del nivel de riesgo en salud según el IRCA. .................................. 25

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

grado de tratamiento asociado. ........................................................................................ 26

Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema ....................................................................... 31

Tabla 9. Periodo máximo de diseño para todos los componentes de acueducto ............. 31

Tabla 10. Métodos de cálculo permitidos según el Nivel de Complejidad del Sistema ..... 32

Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro ........................................................... 33

Tabla 12. Proyección de población por métodos aritmético, geométrico y exponencial ... 37

Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad ..................................... 39

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

........................................................................................................................................ 40

Tabla 15. Limites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida

completa. ......................................................................................................................... 63

Tabla 16. Limites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa .......................... 67

Tabla 17. Limites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta. ......... 69

Tabla 18. Características de las Rejillas .......................................................................... 71

Tabla 19. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas .................................................... 86

Tabla 22 VALORES DE Peso específico y viscosidad dinámica ................................... 101

Tabla 23. Criterios de diseño para mezcladores rápidos ................................................ 102

Tabla 24. Requerimientos de sumergencia .................................................................... 104

Tabla 25. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal .................. 106

Tabla 26. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo) ....... 106

Tabla 27. Valores de K y n ............................................................................................. 107

Tabla 28. Criterios de diseño de aireadores por aspersión ............................................ 126

Tabla 29. Criterios de diseño para aireadores de cascada ............................................ 128

Tabla 30. Criterios de diseño para aireadores de bandejas. .......................................... 130

Tabla 31. Tipos de reacción del Cloro en el Agua .......................................................... 146

Tabla 32. Valores de Ct = K en mg-min/l para inactivación de quiste Giardia por Cloro libre

para log 3 ....................................................................................................................... 152


para log 4 ....................................................................................................................... 153

Tabla 34. Clasificación de los floculadores .................................................................... 160

Tabla 35. Criterios de diseño para floculadores hidráulicos de tabiques. ....................... 169

Tabla 36. Tipos de sedimentación ................................................................................. 183

Tabla 37. Clasificación de los procesos de sedimentación según el sentido del flujo. .... 184

Tabla 38. Criterios de diseño para sedimentadores convencionales .............................. 197

Tabla 39 .Clasificación de los filtros ............................................................................... 204

Tabla 40. Características de los medios filtrantes. ......................................................... 215

Tabla 41 Sistemas de drenaje ....................................................................................... 219

Tabla 42. Criterios generales de diseño filtros ............................................................... 222

4




ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza .................................................................. 11

Fig. 2. Distribución del agua en la naturaleza .................................................................. 11

Fig. 3. Distribución del agua en el mundo ........................................................................ 13

Fig. 4. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m 3 /s) ........................................ 14

Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua. ................................................. 16

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

Fig. 7. Rejillas mecánicas. Segunda etapa ...................................................................... 52

Fig. 8. Desarenador convencional .................................................................................... 53

Fig. 9. Sedimentador de Alta taza .................................................................................... 53

Fig. 10. Esquema de una trampa de grasas. ................................................................... 54

Fig. 11. Filtro de Arena, vaciado ...................................................................................... 55

Fig. 12. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración. .......................................... 55

Fig. 13. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla .................................. 56

Fig. 14. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico ......................................... 57

Fig. 15. Sistema de Aireación en cascada ....................................................................... 58

Fig. 16 Configuraciones típicas de Sistemas de purificación de agua .............................. 60

Fig. 17. Esquema de filtración directa ascendente ........................................................... 64

Fig. 18. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente ....................................... 66

Fig. 19. Esquema de Filtración lenta tipo FIME. ............................................................... 68

Fig. 20. Zonas de un desarenador ................................................................................... 71

Fig. 21. Rejilla con barras paralelas ................................................................................. 73

Fig. 22. Rejilla lateral inclinada ........................................................................................ 74

Fig. 23. Esquema canal de Entrada y Rejilla. Vista en Planta .......................................... 80

Fig. 24. Corte A – A´ ........................................................................................................ 81

Fig. 25. Corte B – B´ ........................................................................................................ 81

Fig. 26. Tamaño de las partículas suspendidas ............................................................... 84

Fig. 27. Estructura de la doble capa eléctrica .................................................................. 87

Fig. 28. Modelo esquemático del proceso de coagulación ............................................... 90

Fig. 29. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio.............................................. 92

Fig. 30. Diagrama del equipo de jarras ............................................................................ 94

Fig. 31. Mezcladores flujo pistón ...................................................................................... 97

Fig. 32. Retromezcladores ............................................................................................... 98

Fig. 33. Dimensiones de la canaleta Parshall ................................................................ 105

Fig. 34. Esquema de la Canaleta Parshall ..................................................................... 108

Fig. 35. Dimensiones de la Canaleta Parshall. ............................................................... 117

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

Fig. 37. Esquema de filtración por aire disuelto.............................................................. 122

Fig. 38. Aireadores de cascada .................................................................................... 127

Fig. 39. Aireador de bandejas ........................................................................................ 129

Fig. 40. Diseño de bandejas de aireación ...................................................................... 134

Fig. 41. Formas importantes de cloro en la cloración del agua ...................................... 147

Fig. 42. Curva punto de quiebre ..................................................................................... 148

Fig. 43. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de

coliformes con cloro libre ............................................................................................... 151

Fig. 44. Floculadores hidráulicos de tabiques ................................................................ 161

5




Fig. 45. Gradientes de energía, y pérdidas en floculadores de flujo horizontal. .............. 162

Fig. 46.Esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal .................................. 166

Fig. 47. Esquema cámara de aquietamiento .................................................................. 174

Fig. 48. Dimensiones de la primera zona del floculador ................................................. 175

Fig. 49. Fuerzas actuantes en una partícula. ................................................................. 178

Fig. 50. Indice de Willcomb para determinar el tamaño del flóculo ................................. 182

Fig. 51. Tipos de sedimentadores según el sentido del flujo .......................................... 184

Fig. 52. Zonificación de un sedimentador convencional ................................................. 186

Fig. 53. Esquema de sedimentación para bajas velocidades ......................................... 187

Fig. 54. Esquema de sedimentación en el caso de altas velocidades ............................ 187

Fig. 55. Diagrama sedimentación ideal .......................................................................... 188

Fig. 56. Sedimentadores horizontales de forma rectangular .......................................... 191

Fig. 57.Dispositivos de entrada para decantadores ....................................................... 192

Fig. 58. Vertedero de recolección de agua sedimentada .............................................. 193

Fig. 59. Forma de la tolva de lodos ............................................................................... 194

Fig. 60. Sistema de remoción de lodos es sedimentadores circulares. .......................... 195

Fig. 61. Vista en corte sedimentador .............................................................................. 200

Fig. 62. Vista en planta sedimentador ............................................................................ 201

Fig. 63. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI. ......................... 203

Fig. 64. Vista parcial da bateria de filtros da ETA Gravatá. ............................................ 204

Fig. 65. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante ............................... 206

Fig. 69. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte .................................... 208

Fig. 70. Mecanismo de impacto inercial ......................................................................... 209

Fig. 71. Mecanismo de acción hidrodinámica ................................................................ 210

Fig. 72. Esquema del puente químico ............................................................................ 211

Fig. 73. Componentes de un filtro .................................................................................. 213

Fig. 74. Lecho filtrante mixto .......................................................................................... 214

Fig. 75. Falso fondo con viguetas prefabricadas ............................................................ 217

Fig. 76. Tuberías perforadas para trabajo con grava ..................................................... 218

Fig. 77. Fondo Leopold .................................................................................................. 218

Fig. 78. Bloque plástico para lavado con aire y agua ..................................................... 219

Fig. 79. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento

sustancial aguas arriba de los filtros .............................................................................. 224

Fig. 80 Esquema en corte del filtro ................................................................................. 228

Fig. 81. Vista en planta del sistema de filtración. ........................................................... 229

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso académico Diseño de plantas potabilizadoras fue

diseñado por Lorena Salazar Gámez, quien es Ingeniera Civil, DEA en tecnologías en el

medio ambiente, y Doctora en Ingeniería Ambiental por la Universidad Politécnica de

Cataluña UPC (Barcelona – España). Con experiencia profesional e investigativa en el

campo del tratamiento de aguas y residuos sólidos, ha trabajado en empresas de

consultoría ambiental en España y en Colombia, y docente de pregrado y post grado, en la

actualidad se desempeña como docente tiempo completo de la Universidad de Medellín

del programa de Ingeniería Ambiental. Para citar este material por favor hacerlo de la

siguiente manera:

Salazar, L. (2012). Diseño de plantas potabilizadoras. Módulo didáctico. Medellín:

Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.

7




INTRODUCCIÓN GENERAL

El agua es una sustancia maravillosa, fluye, se condensa, forma caminos, se filtra, gotea,

moviéndose constantemente de mar a tierra y viceversa, puede ser cristalina, blanca, o

negra y opaca, incluso puede sentir vibraciones. El agua es un elemento esencial para la

vida en la tierra y en el ser humano, el World Water Council, (WWC, 2000), nos da una

descripción de la importancia del agua para la vida: “El agua es vida. Todo organismo vivo,

está constituido principalmente por agua: los seres humanos son un 60% agua, los peces

un 80%, las plantas entre 80 – 90%. El agua es necesaria para todas las reacciones

químicas que se generan en las células, y es esencial para la producción de alimentos y los

ecosistemas vivos. Sin embargo su uso genera grandes conflictos a nivel mundial,

aproximadamente 2 billones de habitantes viven en países con escasez de agua. Algunos

expertos estiman que este valor se puede duplicar en 25 años (Cunningham &

Cunningham, 2012).

Además de la escasez del recurso, las fuentes superficiales susceptibles de ser empleadas

para el consumo humano, como ríos, embalses, lagunas, en la actualidad se encuentran

contaminadas, generando las enfermedades de origen hídrico, siendo estas enfermedades

uno de los principales problemas en los países en desarrollo, cerca de 1,6 millones de

personas se ven obligadas a utilizar el agua contaminada. A mediados de la década de los

90 estas deficiencias resultaron en la muerte de alrededor de 2.2 millones de personas en

su mayoría niños menores de cinco años por causa de enfermedades gastrointestinales

como la diarrea a nivel mundial (UNESCO, 2003).

En este sentido conocer y aplicar, las tecnologías disponibles, para purificar el agua es una

necesidad, en nuestro continente. El proceso más empleado para purificar agua en

sistemas urbanos, en Latinoamérica es el tratamiento “convencional,” que consiste en un

pretratamiento, seguido por un proceso de coagulación floculación, sedimentación,

filtración y desinfección (Ndabigengesere & Narasiah, 1998). Esta tecnología constituyen

la interacción de una serie de operaciones o procesos unitarios, un proceso unitario, es un

proceso físico, químico o biológico mediante el cual, las sustancias contaminantes son

removidas o transformadas en sustancias inocuas, y su base conceptual puede ser

empleadas en otros tipos de tecnologías como en tratamiento de agua o suelo.

En esta asignatura se estudiaran las diferentes tecnologías que se aplican para la

potabilización de agua. El estudiante estará en la capacidad de conocer las características

físicas, químicas y biológicas del agua, seleccionar y diseñar a nivel de pre factibilidad

sistemas de potabilización de agua.

La asignatura se compone de tres unidades. En la primera unidad se introduce al

estudiante en la problemática del agua, de la normatividad existente RAS 2000, decreto

2115 del 2007, entre otras, la metodología para calcular población, las diferentes

8




alternativas de pretratamiento y la sedimentación convencional. En la segunda unidad,

profundizaremos en los procesos unitarios de transferencia de sólidos profundizaremos en

la sedimentación de alta taza, filtración, floculación, mezcladores rápidos, y para finalizar

en la tercera unidad iniciaremos con el proceso unitario de Transferencia de Iones donde

se abordaran los temas de coagulación, desinfección y aireación.

Cada unidad contiene ejercicios propuestos y resueltos con el fin de que al final se

integren todos los procesos unitarios vistos y se integren en lo que se denomina un

sistema de potabilización de agua.

Bienvenid@s!

9




UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUA

1.1 UNIDAD 1. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1.1 LECCIÓN 1 SITUACIÓN ACTUAL DEL RECURSO HÍDRICO

El agua ha sido uno de los principales vectores medioambientales duramente castigados

por la acción del hombre. En la actualidad, nadie duda que sea imprescindible desarrollar

e implementar tecnología adecuada al medio, para remediar problemas de

desabastecimiento como de calidad en el tratamiento del agua, con el fin de disminuir los

riesgos a la salud y al medio ambiente. En este capítulo se dará una breve introducción a la

problemática actual del recurso hídrico, en los criterios de calidad, la normatividad

existente para sistemas de potabilización, y las bases para iniciar con el diseño de una

planta de potabilización como es el cálculo poblacional.

1.1.1.1 Aspectos globales

El agua es un elemento esencial para la vida en la tierra y en el ser humano, el World

Water Council, nos da una descripción de la importancia del agua para la vida: “El agua es

vida. Toda organismo vivo, está constituido principalmente por agua: los seres humanos

son un 60% agua, los peces 80%, plantas entre 80 – 90%”. El agua es necesaria para todas

las reacciones químicas que se generan en las células, y es esencial para la producción de

alimentos y los ecosistemas vivos 1 . El agua es un recurso crítico, sin el cual la vida no es

posible (WWC, 2000).

El agua está distribuida en la tierra de diferentes maneras: en agua salubre, dulce,

subterránea y en capas de hielo permanentemente congeladas sobre la superficie de las

regiones muy frías o pre glaciares. Del total del agua existente en la tierra solamente el

2.4% de toda el agua en el planeta es agua dulce, de este porcentaje el 87.2% de esta agua

dulce se encuentra en glaciares, capas de hielo, y nieve, el 12% es agua subterránea, de

difícil captación y tratamiento, y únicamente el 0.8% es agua dulce disponible para los

diversos usos, de este 0.8% de agua disponible, el 23.8% está presente en la humedad del

suelo, de plantas, el 4.8% en la atmósfera, 1.8% en humedales, y solo el 0.6% en ríos, ver

Fig. 1.

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

10




Fuente: (Cunningham & Cunningham, 2012)

Fig. 1. Distribución del agua en la naturaleza

Fig. 2. Distribución del agua en la naturaleza

Fuente: (Cunningham & Cunningham, 2012)

11




1.1.1.2 Problemática

La escasez de agua afecta ya a todos los continentes. Cerca de 1.200 millones de personas,

casi una quinta parte de la población mundial, vive en áreas de escasez física de agua,

mientras que 500 millones se aproximan a esta situación. Otros 1.600 millones, alrededor

de un cuarto de la población mundial, se enfrentan a situaciones de escasez económica de

agua, donde los países carecen de la infraestructura necesaria para transportar el agua

desde ríos y acuíferos.

La escasez de agua constituye uno de los principales desafíos del siglo XXI al que se están

enfrentando ya numerosas sociedades de todo el mundo. A lo largo del último siglo, el uso

y consumo de agua creció a un ritmo dos veces superior al de la tasa de crecimiento de la

población y, aunque no se puede hablar de escasez hídrica a nivel global, va en aumento

el número de regiones con niveles crónicos de carencia de agua.

La escasez de agua es un fenómeno no solo natural sino también causado por la acción del

ser humano. Hay suficiente agua potable en el planeta para abastecer a 6.000 millones de

personas, pero ésta está distribuida de forma irregular, la existente se desperdicia, está

contaminada y se gestiona de forma insostenible, en la Fig. 3 se puede observar la escases

del recurso en países como África, Oriente medio, India y China, países que tienen una

gran densidad poblacional (PNUD, 2006).

12




Fig. 3. Distribución del agua en el mundo

Fuente: Gráficos vitales del Agua, PNUMA

El problema no es únicamente la escasez del recurso hídrico, en países en desarrollo uno

de los principales problemas son las enfermedades de origen hídrico, cerca de 1,6

millones de personas se ven obligadas a utilizar el agua contaminada. A mediados de la

década de los 90 estas deficiencias resultaron en la muerte de alrededor de 2.2 millones

de personas en su mayoría niños menores de cinco años por causa de enfermedades

gastrointestinales como la diarrea a nivel mundial (UNESCO, 2003).

Teniendo en cuenta esta problemática, se ha dado curso a una serie de iniciativas

mundiales, una de las más famosas se dio en la Cumbre del Milenio de Naciones Unidas de

septiembre de 2000, donde se congregó el mayor número de líderes mundiales jamás

reunido para aprobar la Declaración del Milenio. De aquella Declaración surgieron los

Objetivos del Desarrollo para el Milenio” (ODM), un compendio de objetivos alcanzables y

sujetos a plazo orientados a extender los beneficios de la globalización a los ciudadanos

más pobres del mundo. La meta 10 del Objetivo 7 persigue reducir a la mitad el porcentaje

de la población mundial sin acceso seguro al agua potable. Más tarde, durante la Cumbre

Mundial sobre Desarrollo Sostenible de Johannesburgo, en 2002, se ampliaría el alcance

13




de esta meta incluyendo también el acceso a un saneamiento básico y reconociendo que

los recursos hídricos son un factor fundamental para la consecución del resto de los

Objetivos de Desarrollo del Milenio. Esta referencia al saneamiento está actualmente

integrada en la meta 10.

1.1.1.3 Situación del recurso hidrico en Colombia

Colombia se clasifica como uno delospaíses conmayor oferta hidrica natural del mundo. El

estudio nacional del agua 2010 (IDEAM, 2010), estima que en Colombia existe un

rendimiento hídrico promedio de 63 L/s-km 2 que supera seis veces el rendimiento

promedio mundial (10 L/s-km 2 ) y tres veces el rendimiento de latinoamérica (21 63 L/skm

2 ).

Del volumen total anual de precipitación en Colombia (3.700 km3), el 61% se convierte en

escorrentia superficial, y fluje por las cinco áreas hidrográficas en las que se divide el

territorio nacional continental, la Fig. 4 presenta las diferentes áreas hidrográficas del pais,

y su distribución de caudales.

Fig. 4. Distribución de caudales por áreas hidrográficas (m 3 /s)

Fuente: (IDEAM, 2010)

14




Según la Fig. 4, podemos obserbar que la mayor oferta de agua la brinda la cuenca del

Amazonas, seguido con la cuenca del Orinoco, Pacífico y la Andina. Lo cual con coincide

con la densidad poblaciónal en donde el área que mayor población alberga es la Andina.

El crecimiento actual de la nación ha congregado la demanda hídrica sobre regiones

donde su oferta es escasa y en las cuales los procesos de crecimiento poblacional

amplifican la presión sobre un recurso que ya registra altos requerimientos para mantener

la estructura socio-económica instalada (Dominguez, Rivera, Vanegas Sarmiento, &

Moreno, 2008).

Esto nos lleva a la situación actual en donde, según el informe publicado por la Defensoría

del Pueblo, para el año 2005, el agua que se consume en el país no cumple para ser

potable. En ese sentido, más de doce millones de habitantes de las cabeceras municipales

es decir el 55,3% de la población analizada están recibiendo un servicio de acueducto que

suministra agua no apta para consumo humano (Defensoria del Pueblo, 2005).

Es por esto que capacitarse en tecnologías que puedan dar solución a la problemática del

agua potable, y que sea aplicada en paises en vias en desarrollo es una necesidad. En la

actualidad uno de los tratamientos de agua mas empleado es el tratamiento

“convencional,” este se describe en la Fig. 5, consiste en un proceso de pre tratamiento

(rejillas y desarenador), la adición de químicos y una mezcla rápida, que se denomina el

proceso de coagulación, luego una clarificación que se denomina floculación, seguida de

una sedimentación de alta taza, filtración y desinfección, con frecuencia se emplea el cloro

como desinfectante ya para finalizar un control de pH lo que se denomina alcalinización

(Ndabigengesere & Narasiah, 1998).

15




Fig. 5. Proceso convencional de potabilización de Agua.

Fuente: Elaboración propia “Módulos de Clase”, plantas de tratamiento, Ingeniería

Ambiental UDEM. 2012.

16




En el siguiente enlace se puede encontrar la descripción del proceso de tratamiento de la

PTAP de Puerto Mallarino de la Ciudad de Cali.

Planta de Potabilización Puerto Mallarino Cali

1.1.1.4 USOS DEL AGUA

El agua dulce tiene diferentes usos dependiendo de la destinación final, a continuación se

sintetiza, los usos del agua definidos en el Decreto 1594 de 1984, capítulo III, articulo 29 y

en el Reglamento de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS TITULO B 2010):

a) Uso residencial

b) Uso Comercial

c) Uso industrial

d) Uso rural - agrícola

e) Para fines públicos

f) Escolar

g) Institucional

Sin embargo no todos los usos tienen los mismos consumos, el sector que presenta un

mayor consumo es el agrícola, seguido del industrial y el doméstico. Además no todos los

usos tienen las mismas exigencias de calidad, es decir no es lo mismo tratar un agua para

un uso agrícola que para un uso residencial. Esto es muy importante a la hora de diseñar

un sistema de potabilización de agua ya que nos determinará el caudal de diseño.

17




1.1.2 LECCIÓN 2: CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA

El agua es el constituyente más importante del organismo humano y del mundo en el que

vivimos. Tiene una gran influencia en los procesos bioquímicos que ocurren en la

naturaleza. Esta influencia no solo se debe a sus propiedades fisicoquímicas como

molécula bipolar sino también a los constituyentes orgánicos e inorgánicos que se

encuentran en ella, recientemente se están descubriendo nuevas propiedades del agua

como la capacidad de.

Se considera que el agua es un solvente universal, debido a que es capaz de disolver o

dispersar la mayoría de sustancias con las que tiene contacto, sean estas sólidas, líquidas o

gaseosas, y de formar con ellas iones, complejos solubles e insolubles, coloides o

simplemente partículas dispersas de diferente tamaño y peso (Barrenechea, 2004).

Desde el punto de vista de la salud humana, el agua ayuda a eliminar las sustancias

resultantes de los procesos bioquímicos que se desarrollan en el organismo humano, a

través de los órganos excretores, en especial la orina y el sudor. Sin embargo, por esta

misma propiedad, puede transportar una serie de tóxicos al organismo que pueden

afectar a diferentes órganos, de manera reversible o irreversible.

1.1.2.1 Calidad del agua

El término calidad del agua es relativo y solo tiene importancia universal si está

relacionado con el uso del recurso. Esto quiere decir que una fuente de agua

suficientemente limpia que permita la vida de los peces puede no ser apta para la

natación y un agua útil para el consumo humano puede resultar inadecuada para la

industria.

Para decidir si un agua califica para un propósito particular, su calidad debe especificarse

en función del uso que se le va a dar. Bajo estas consideraciones, se dice que un agua está

contaminada cuando sufre cambios que afectan su uso real o potencial. Para tener

criterios de decisión sobre el tipo de uso o de tratamiento que se le dará a un agua, es

necesario conocer sus características físicas, químicas, y microbiológicas, así como las

técnicas de análisis de cada una. A continuación se sintetizará cada una de las

características del agua:

18




1.1.2.2 Características físicas

Las características físicas del agua, llamadas así porque pueden impresionar a los sentidos

(vista, olfato, etcétera), tienen directa incidencia sobre las condiciones estéticas y de

aceptabilidad del agua.

Se consideran importantes las siguientes:

Turbiedad

Sólidos solubles e insolubles

Color

Olor y sabor

Temperatura

1.1.2.3 Características químicas

El agua, como solvente universal, puede contener cualquier elemento de la tabla

periódica. Sin embargo, pocos son los elementos significativos para el tratamiento del

agua cruda con fines de consumo o los que tienen efectos en la salud del consumidor.

Dentro de las características químicas más empleadas podemos resumir las siguientes:

Inorgánicas

Acidez

Alcalinidad

Dureza

pH

Conductividad

Aceites y Grasas

Compuestos orgánicos e inorgánicos

Fosfatos

Nitritos y nitratos

Orgánicas

Materia orgánica: Demanda Química de Oxígeno, Demanda Bioquímica de

Oxígeno, Carbono Orgánico Total

Oxígeno disuelto

19




1.1.2.4 Características microbiológicas

La contaminación fecal de las fuentes de aguas superficiales para abastecimiento de

consumo humano es uno de los problemas más preocupantes en los países en vías de

desarrollo. En las grandes ciudades esta contaminación se debe principalmente al

vertimiento de los desagües sin ningún tratamiento. También se ha observado que la

contaminación fecal es intensa en las zonas de arrastre provenientes de los corrales de

engorde de bovinos y de las avícolas (OPS, OMS, 1996).

Además del vertimiento o infiltración de aguas residuales sin tratar, también aportan

contaminantes los lixiviados de rellenos sanitarios, los efluentes de aguas residuales con

tratamiento deficiente, las infiltraciones de tanques sépticos, etcétera. Asimismo, la

escorrentía pluvial y las inundaciones ocasionan el deterioro de la calidad del agua de los

recursos hídricos. En las zonas rurales la contaminación fecal se origina por la defecación a

campo abierto y por la presencia de animales domésticos y silvestres que actúan como

reservorios de agentes patógenos.

El uso de aguas superficiales como fuentes de agua de bebida implica un riesgo de

transmisión de enfermedades hídricas. Los agentes patógenos involucrados con la

transmisión por esta vía son las bacterias, virus y protozoos, helmintos y cyanobacterias,

que pueden causar enfermedades con diferentes niveles de gravedad, desde una

gastroenteritis simple hasta serios y a veces fatales cuadros de diarrea, disentería,

hepatitis o fiebre tifoidea. La transmisión hídrica es solo una de las vías, pues estos

agentes patógenos también pueden transmitirse a través de alimentos, de persona a

persona debido a malos hábitos higiénicos y de los animales al hombre, entre otras vías.

Los agentes patógenos y los organismos productores de toxinas que pueden estar

presentes en aguas superficiales y cuya transmisión hídrica está demostrada pertenecen a

los siguientes grupos:

20




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

Fuente: (Aurazo de Zumaeta, 2004)

Figura 1. Rotavirus

Figura 2.Ameba

Figura 3. Bacterias

21




1.1.3 LECCIÓN 3: NORMATIVIDAD

En Colombia, la legislación más empleada en términos de agua para potabilización es la

Resolución 2115 del 2007, del Ministerio de la Protección Social Ministerio de Ambiente,

Vivienda y Desarrollo Territorial, donde resuelve las características que tiene que tener el

agua para consumo humano. Define las características físicas y el valor mínimo aceptable

en que pueden estar en el agua, ver Tabla 2, las características químicas y su valor mínimo

aceptable, se describen parcialmente, en la Tabla 3, y las características microbiológicas,

se observan en la Tabla 4. Además nos presenta el índice de riesgo de la calidad del agua

para el consumo humano –IRCA- Tabla 5, que consiste en un instrumento para determinar

la calidad del agua en base al no cumplimiento de los valores aceptables, de las

características físicas, químicas y microbiológicas, ver. Tabla 6

Tabla 2 Características físicas

Fuente Decreto 2115/2007

CONDUCTIVIDAD. El valor máximo aceptable para la conductividad puede ser hasta 1000

microsiemens/cm.

POTENCIAL DE HIDRÓGENO. El valor para el potencial de hidrógeno pH del agua para

consumo humano, deberá estar comprendido entre 6,5 y 9,0.

22




Tabla 3 Características Químicas


Tabla 4. Características Microbiológicas


23




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

el cálculo del IRCA


Una vez se realice la evaluación del riesgo teniendo en cuenta cada una de las

características del agua, clasificamos el nivel de riesgo, si el valor del IRCA es cero (0)

puntos, significa que cumple con los valores aceptables para cada una de las

características físicas, químicas y microbiológicas contempladas en la presente Resolución

y cien puntos (100) para el más alto riesgo cuando no cumple ninguno de ellos.

24




Dependiendo de esta valoración se puede determinar si el nivel de riesgo es inviable

sanitariamente, alto, medio, bajo y sin riesgo, además nos da información sobre las

acciones que se pueden tomar con este recurso, ver Tabla 6.

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

Otra regulación importante la encontramos en el Reglamento Técnico del Sector de Agua

Potable y Saneamiento Básico RAS, titulo B, nos presenta la Tabla 7, donde nos permite a

partir de las características y grados de cumplimiento, dar una recomendación sobre el

tipo de tratamiento que se puede emplear para potabilizar el agua.

25




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

de tratamiento asociado.


26




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

Uno de los primeros parámetros para tener en cuenta en el diseño de una planta de

potabilización es la población de diseño, esta permitirá posteriormente calcular las

dotaciones y el caudal a emplear en el dimensionamiento del sistema de potabilización.

Por lo general las plantas de potabilización se diseñan para un grupo poblacional, es decir

un municipio, vereda, etc., no obstante existen soluciones particulares que podrían ser

una finca o un conjunto residencial donde el cálculo de la población de diseño es menos

complejo.

En nuestro caso de estudio seguiremos las recomendaciones para un sistema de

acueducto de una población hipotética, denominada “San Pedro”, con el fin de hacer más

aplicativo el aprendizaje. El titulo B del RAS nos recomienda que para la estimación de la

proyección de la población se debe tener en cuenta los datos establecidos para la

población por el DANE, tanto para la definición del nivel de complejidad del sistema como

para la proyección de la población.

El último dato de población establecido por el DANE para el municipio objeto del diseño

debe tenerse en cuenta como un último censo a utilizarse para la proyección de la

población.

1.1.4.1 Censos de población

Deben recolectarse los datos demográficos de la población, en especial los censos de

población del DANE y los censos disponibles de suscriptores de acueducto y otros servicios

públicos de la localidad o localidades similares. Con base en los datos anteriores se

establecerán los criterios y parámetros que determinen el crecimiento de la población,

(Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico, 2010).

Población futura

En el diseño de un sistema de abastecimiento uno de los datos básicos es la determinación

del caudal necesario, para una población o núcleo, el cual depende del número de

habitantes y la producción industrial que tendrá la localidad al fin del período de diseño.

Cuando estos factores crecen, el consumo de agua aumentará. Los factores más

importantes que influyen en el crecimiento de la población son los nacimientos, las

muertes y las migraciones de población (aumento o disminución). Algunas localidades

tienen población flotante considerable que debe tenerse en cuenta al calcular la población

27




que va a servirse del acueducto; es el caso de poblaciones veraniegas (entrará en juego el

criterio del Ingeniero para estimar la población flotante).

En nuestro medio el crecimiento de las ciudades grandes e intermedias oscila entre el 2 y

3% mientras que para pequeñas y la zona rural está entre 1 y 2%. Sin embargo estos

datos no pueden generalizarse y son apenas magnitudes de referencia, pues hay muchas

localidades con crecimientos inferiores al 1% y aún negativos.

1.1.4.2 Métodos de cálculo

Método aritmético

Supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración. Se

supone que la tasa de variación de la población con el tiempo es constante:

P K

t

Integrando la ecuación entre los límites t i , año inicial y t f año final se tiene:

P

t

P ti)

t

f

f

K t

K(

tf

i

i

P

P

f

P

i

K( tf ti)

Pf

P K( tf

i

ti)

Siendo:

P f = población para un año futuro (año de predicción)

P i = población del año inicial o año básico

La constante K se puede calcular así:

K

P2

P

t 2 t1

1

En la cual P 2 y P 1 son las poblaciones de los años t 2 y t 1 obtenidos de la información

existente.

La aplicación exacta de la fórmula implica no tener en cuenta la dinámica de crecimiento

en los años intermedios con información censal. Por tanto, se sugiere que a los resultados

28




obtenidos se les haga un análisis de sensibilidad teniendo en cuenta las siguientes

variaciones metodológicas:

Usar como año inicial para la proyección cada uno de los años existentes entre el

primero y el penúltimo censo.

Calcular una tasa de crecimiento poblacional representativa de la dinámica entre

los diferentes datos censales disponibles, y con esta realizar las proyecciones a

partir de los datos del último censo

Método Exponencial o Logarítmico

La utilización de este método requiere conocer por lo menos tres censos para poder

determinar el promedio de la tasa de crecimiento de la población. Se recomienda su

aplicación a poblaciones que muestren apreciable desarrollo y posean abundantes áreas

de expansión.

Se supone que el crecimiento de la población es proporcional a la población existente en

un momento dado:

P K P

t

K constante

Pf

Pi

P

f

P K t

i

t

t

P

F

Ln K t

Pi

tf

ti

Ln

P

f

Ln

P

i

K

( t f ti

)

Ln

P

f

Ln

P

i

K

( t

f i

t )

P

f

P e

i

k

T f T

)

( i

Esta última es la ecuación empleada

La constante K puede calcularse así:

Ln P Ln P K( t ) 1

2 1 2

t

29




k

LnP

T

2

2

LnP

T

1

1

Donde K es la tasa de crecimiento de la población la cual se calcula como el promedio de

las tasas para cada par de censos, P2 y P1 son las poblaciones de los años t 2 y t 1 obtenidas

de la información existente (censos).

Método Geométrico

El Método Geométrico es útil en poblaciones que muestren una importante actividad

económica, que genera un apreciable desarrollo y que poseen importantes áreas de

expansión las cuales pueden ser dotadas de servicios públicos sin mayores dificultades.

La solución de la ecuación diferencial exponencial puede también visualizarse de la

siguiente forma:

Reemplazando e k

compuesto:

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

P

f

Pi

(1 r)

tf ti

Si

tf

ti

n

Periodo de tiempo que se quiere averiguar de la población.

P

f

Pi

( 1

r)

ni

En donde r es la rata de crecimiento anual y n el número de años en consideración.

Cuando no se posea la rata de crecimiento anual de una localidad. La tasa de crecimiento

anual se calcula de la siguiente manera:

P

2

r

P1

1

( T2

T1

)

La escogencia entre el método aritmético y el método geométrico se basa en la

inspección del gráfico trazado a partir de la escala aritmética. Una aparente relación lineal

implicaría el uso del método aritmético; en cambio una curva aparentemente cóncava

hacia arriba implicaría el uso del geométrico, además hay que tener en cuenta los

parámetros de la Tabla 10.

1

30




1.1.4.3 Determinación del nivel de complejidad del sistema

A partir de los datos anteriores podemos determinar el nivel de complejidad del sistema,

como nos indica la Tabla 8 (tabla A.3.1, del RAS titulo A), dependiendo de la población

proyectada calculo el nivel de complejidad.

Tabla 8. Nivel de complejidad del sistema

Fuente: RAS Titulo A (2000)

1.1.4.4 Determinación del periodo de diseño

El periodo de diseño se calcula teniendo en cuenta la Resolución 2320 del 27 de

noviembre del 2010, donde nos indica que dependiendo del nivel de complejidad se

determinará el periodo máximo de diseño.

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

Fuente: MAVDT Resolución 2320 (2009)

1.1.4.5 Determinación del tipo de método de proyección poblacional

El método de cálculo para la proyección de la población depende del nivel de complejidad

del sistema según se muestra en la Tabla 10.

31




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

Fuente RAS 2010 Titulo B. Tabla B.2.1

Ajuste por población flotante y población migratoria

Debe ajustarse la proyección de la población para tener en cuenta la población flotante,

de acuerdo con los estudios socioeconómicos disponibles para la población. En el cálculo

de la población por abastecer se deben considerar actividades turísticas, laborales,

industriales y/o comerciales que representen población flotante.

En el caso que existan posibilidades de migración hacia el municipio, ésta debe tenerse

presente en los estudios de proyección de la población. En el caso que no existan datos, el

consultor debe proyectar la población utilizando alguna metodología especial establecida

de común acuerdo con la entidad contratante (MAVDT, 2010).

ETNIAS MINORITARIAS

En el caso que en el municipio objeto de la construcción o ampliación de un sistema de

acueducto exista una etnia minoritaria, la proyección de la población de ésta debe ser

objeto de un estudio individual detallado.

32




1.1.5 LECCIÓN 5. EJEMPLO DE CALCULO DE POBLACIÓN

Calcular la población de diseño y el nivel de complejidad para el Municipio de San Pedro

según los siguientes censos del DANE, ver Tabla 11.

Tabla 11. Censos DANE Municipio de San Pedro

AÑO POBLACIÓN

1993 24.909

2005 31.806

2010 34.402

1.1.5.1 Método aritmético

Teniendo en cuenta los datos censales, tenemos que la proyección de población a 25 años

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

Calculo de los tiempos

Calculo de las poblaciones

Determinación de K

Cálculo población futura

t 2 − t 1 = 2005 − 1993 = 12 años

t f − t i = 2037 − 2005 = 32 años

p 2 − p 1 = 31806 − 24909 = 6897

K = 6897

12 5574

p f = p2 + K ∗ tf − ti = 31806 + 574 ∗ 32 = 50198 hab

Con el método aritmético, se obtiene una población de 50.198 habitantes para el año

2037.

33




Si realizamos el mismo procedimiento para un periodo de diseño de 30 años tendríamos

que la población futura para el 2042, es de 53072 habitantes.

1.1.5.2 Método exponencial o logarítmico

Aplicando los datos censales del municipio de San Pedro, encontrar la proyección de la

población a 25 años y a 30 años, mediante el método exponencial:

AÑO POBLACIÓN

1993 24.909

2005 31.806

2010 34.402

P

f

P e

i

K ( tf ti)

- Hallar el valor de K entre 1993 y 2005.

- Hallar el valor de K entre 2005 y 2010.

K

K

Ln 31.806 Ln 24.909

2005 1993

1

Ln 34.402 Ln 31.806

5

2

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

K

Ln 34.402 Ln 31.806

2010 1993

3

0.019

0.016

0.020

K m

K K K

3

0.020 0.016 0.019

3

1 2 3

0.018

34




P

f

P

i

e

k

( T f Ti

)

Población futura a 25 años, a partir del 2012

(0.0179)(2037 - 2010)

P f = 34.402 e =

56.467 hab.

Aplicando el mismo procedimiento calculamos para 30 años, con un total de 61.893

habitantes.

1.1.5.3 Método geométrico

Del ejercicio anterior aplicar el método geométrico, para calcular la población a 25 y a 30

años.

AÑO POBLACIÓN

1993 24909

2005 31806

2010 34402

- Calcular la rata de crecimiento entre 1.993 y 2.005

1

1

P ( T2

T1

)

31086 2005 1993

2

r

1

1

0.020

r1 = 2.0 %

P1

24909

- Hallar la rata de crecimiento entre 2005 y 2010

1

1

P ( T2

T1

)

34402 2010 2005

2

r

1

1

.0158 r = 1.58 %

P1

31806

- Hallar la rata de crecimiento entre 1993 y 2.010

P2

r

P1

1

( T T )

2

1

34402

1

24909

1

2010

1993

1

0.019

r = 1.9%

35




Efectuando un promedio de r se obtiene:

r

m

2.0 +1.58 +1.91

1.85%

3

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

P f = 34420 (1 + 0.0185) 27 = 56469 habitantes.

Para una proyección de 30 años año 2042 tenemos que:

P f = 34420 (1 + 0.0185) 32 = 61897 habitantes.

1.1.5.4 Calculo del nivel de complejidad

Según el ejemplo anterior, el municipio de San Pedro con población proyectada a 25 o a

30 años, no sobrepasa los 60.000 habitantes, analizando la Tabla 8, obtenemos que el

nivel de complejidad del municipio de San Pedro es MEDIO ALTO.

1.1.5.5 Calculo del periodo de diseño

Como lo determinamos anteriormente, el nivel de complejidad es Medio Alto, con lo cual

según la Tabla 9, nos indica que el periodo máximo de diseño para el municipio de San

Pedro, será de 25 años.

1.1.5.6 CALCULO FINAL DE POBLACIÓN PROYECTADA

Según la Tabla 10, tenemos que para el Municipio de San Pedro, los métodos a emplear

serian el aritmético, geométrico y exponencial, los otros métodos se refieren a estudios

demográficos detallados, y el detalle de zonas y densidades, etc. La ampliación de estos

métodos se observa en el titulo B de la RAS 2010. Para nuestro caso de estudio, se debe

proyectar la población a 25 años, con lo cual tenemos que el análisis para los tres

métodos, se detalla en la Tabla 12:

La Tabla 12, presenta el resumen de las proyecciones poblacionales para el municipio de

San Pedro a 25 y 30 años.

36




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

AÑO/ ARITMÉTICO GEOMÉTRICO EXPONENCIAL PROMEDIO

POBLACIÓN

Habitantes Habitantes Habitantes Habitantes

2037 50198 56467 56496 54378

2042 53072 61893 61897 58954

Teniendo en cuenta que el análisis se realizará para un periodo de 25 años, por lo tanto la

proyección empleada es para el 2037, según los datos de la Tabla 12, observamos que los

datos del método geométrico y exponencial son relativamente similares, sin embargo

varia el método aritmético, por lo tanto es conveniente hacer un promedio de estos tres

métodos. Con lo cual la población de diseño es de 54378 habitantes.

37




1.2 CAPÍTULO 2: CALCULO DE DOTACIONES

En este capítulo se describe el cálculo de dotaciones, o de la cantidad de agua que

requiere una población para satisfacer sus necesidades en un tiempo, por lo general se

estima en un intervalo de un año, el cálculo de las pérdidas en el sistema, y las dotaciones,

para llegar al final al caudal de diseño que es una herramienta básica para iniciar con el

diseño de plantas de potabilización. Se seguirá las recomendaciones de la normatividad en

este caso el Reglamento Técnico de Agua y Saneamiento Básico, con su última

actualización del título B “Sistemas de Acueducto” (2010), y de la resolución del Ministerio

de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2320 del 2009. Para finalizar se termina

este capítulo con un ejemplo aplicativo.

1.2.1 LECCIÓN 6. CONSUMO DE AGUA

Dotación, es la cantidad de agua necesaria que requerirá una población, durante un año.

La base más segura para el cálculo del consumo de agua son los datos de consumo actual

y pasado, teniendo en cuenta los factores que pueden influir en el futuro.

El consumo es expresado en términos del consumo medio diario por habitante durante un

año (dotación). Se obtiene sumando el consumo de todos los días del año y dividiendo el

consumo total por 365 días y por la población:

Qt q

1

q2

q3

......... q365

Donde:

Qt

q m

365 * P

q m = consumo medido expresado en lt/Hab/día

P = Población servida (no la población total)

1.2.1.1 Dotación neta

La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida, para satisfacer las

necesidades básicas de un suscriptor o de un habitante, dependiendo de la forma de

proyección de la demanda de agua, sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema

de acueducto.

38




Existen cuatro métodos para calcular la dotación neta, estos son:

a) Dotación por suscriptores

b) Dotación por habitante

c) Según el uso del agua

d) Comparación con barrios, sectores o municipios similares

1.2.1.2 Dotación por suscriptores

En aquellos casos en que se tenga la información necesaria, de la empresa prestadora del

servicio de acueducto o en el sistema único de información (SUI) de la Súper Intendencia

de Servicios Públicos Domiciliarios, el consultor y/o la persona prestadora del servicio,

deben conocer el valor existente sobre consumo promedio por suscriptor. En caso de que

no se cuente con datos históricos sobre consumos de agua potable por los suscriptores, el

consultor debe utilizar la dotación por suscriptor establecida en la Tabla 13.

Tabla 13. Dotación por suscriptor según el nivel de complejidad

Fuente: RAS Titulo B (2010)

Para propósitos de la tabla anterior se considera como clima cálido aquella zona del

territorio nacional que se encuentre por debajo de 1000 m.s.n.m.

1.2.1.3 Dotación Neta por Habitante

En caso de que se opte por la opción para el cálculo de la demanda de agua, mediante la

proyección de la población, la dotación neta por habitante es función del nivel de

complejidad del sistema y sus valores máximos se deben establecer con la tabla B.2.3

mostrada a continuación.

39





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

1.2.1.4 Dotación neta según el uso del agua

En la evaluación de las dotaciones netas de agua para un municipio, se pueden tener

dotaciones diferentes para cada uno de los usos de agua que existan en el municipio:

residencial, comercial, industrial, institucional, fines públicos, escuelas y usos en zonas

rurales anexas al municipio. Todos estos deben considerarse en las dotaciones y en las

demandas de agua, tanto actuales como proyectadas.

Sin embargo, para aquellos sistemas de acueducto donde los consumos del uso residencial

representen más del 90% del consumo total de agua potable, el cálculo de agua se puede

realizar teniendo en cuenta únicamente la dotación neta residencial sumándole a ésta un

porcentaje que tenga en cuenta los otros usos en forma agrupada según los datos de

consumo existentes.

En caso contrario, el cálculo de la demanda de agua potable debe realizarse en forma

desagregada para cada uno de los usos principales y para cada uno de ellos el consultor

y/o la persona prestadora del servicio deben determinar las dotaciones netas.

1.2.1.5 Estimación de la dotación neta por comparación con barrios, sectores o

municipios similares

En caso que no existan datos en el municipio para el diseño de un nuevo sistema de

acueducto o la ampliación del sistema de acueducto existente, los cálculos necesarios para

estimar la dotación neta deben realizarse teniendo en cuenta los datos de poblaciones

similares. El consultor debe tener en cuenta los siguientes aspectos para la elección de las

poblaciones similares: temperatura media, hidrología, tamaño de la población,

localización geográfica, nivel socioeconómico, tamaño del sector comercial y tamaño del

sector industrial, entre otros.

40




1.2.2 LECCIÓN 7: CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO

Las pérdidas de agua en el sistema de acueducto corresponden a la diferencia entre el

volumen de agua tratada y medida a la salida de las plantas potabilizadoras y el volumen

de agua entregado a la población y que ha sido medido en las acometidas domiciliarias del

municipio.

De acuerdo con sus características, las pérdidas se clasifican en dos grandes grupos:

técnicas y comerciales.

1.2.2.1 PÉRDIDAS TÉCNICAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTO

Incluyen las fugas en tuberías y accesorios y en estructuras, como reboses en tanques de

almacenamiento, plantas de tratamiento, etc. Por lo general estas se subdividen en

visibles y no visibles. Para establecer el porcentaje de pérdidas físicas deben tenerse en

cuenta los datos registrados disponibles en el municipio o en la persona prestadora sobre

pérdidas de agua en el sistema de acueducto desde las plantas potabilizadoras, incluidos

los consumos requeridos para las operaciones en la red de distribución. La resolución

2320/2009, nos indica que el mayor porcentaje de pérdidas técnicas no puede superar el

25% de la dotación neta.

Pérdidas comerciales en la red de distribución

Las pérdidas comerciales son aquellas relacionadas con el funcionamiento comercial y

técnico de la persona prestadora del servicio. Estas pérdidas incluyen las conexiones

fraudulentas, los suscriptores que se encuentren por fuera de las bases de datos de

facturación de la empresa y los caudales dejados de medir por imprecisión o deficiente

operación de los micro medidores domiciliarios.

Para propósitos de diseño de un nuevo sistema de acueducto o la parte nueva de uno

existente, el porcentaje de pérdidas comerciales admisibles en la red de distribución debe

ser como máximo el 7%. En caso de que la demanda de agua se haya calculado con base

en la proyección de suscriptores, dicho porcentaje debe incluirse en el cálculo del caudal

de diseño. En aquellos casos en que la demanda se haya calculado con base en la

proyección de la población o número de habitantes, las pérdidas comerciales no deben

tenerse en cuenta para el cálculo de los caudales de los sistemas de acueducto.

41




1.2.2.2 DOTACIÓN BRUTA

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

habitante considerando para su cálculo el porcentaje de pérdidas que ocurran en el

sistema de acueducto.

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

sistema de acueducto, indistintamente del nivel de complejidad, se debe calcular

conforme a la siguiente ecuación:

Dneta

Dbruta

1 % p

Donde:

Dbruta: Dotación bruta

Dneta: Dotación neta

%p: pérdidas técnicas máximas admisibles

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

superar el 25%.

42




1.2.3 LECCIÓN 8. CALCULO DE CAUDALES

El caudal, se relaciona a la demanda de agua que requiera la población en un periodo de

diseño determinado. Para esto es necesario determinar el Qmd (Caudal medio diario),

QMD (Caudal máximo diario), y el caudal máximo horario (QMH),

1.2.3.1 Caudal medio diario

El caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada,

teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumos

diarios en un período de un año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

Donde:

P * D

Qmd bruta

86400

Q md : caudal medio diario

D bruta : dotación bruta, dada en metros cúbicos/suscriptor mes.

En esta ecuación 30 representa el número de días en el mes.

1.2.3.2 Caudal máximo diario

El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24

horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el

coeficiente de consumo máximo diario, k1. El caudal máximo diario se calcula mediante la

siguiente ecuación:

QMD

Qmd

* K 1

Donde:

QMD: caudal máximo diario

Qmd: caudal medio diario

k1: coeficiente de consumo máximo diario

43




El coeficiente de consumo máximo diario, k1, se obtiene de la relación entre el mayor

consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los datos registrados en un período

mínimo de un año.

En caso de sistemas nuevos, el valor del coeficiente de consumo máximo diario, k1, será

1.30.

1.2.3.3 Caudal máximo horario

El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una

hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como

el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2,

(véase 3.7.5) según la siguiente ecuación:

QMH

QMD

* K 2

En el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de consumo máximo horario

con relación al consumo máximo diario, k2, corresponde a un, valor comprendido entre

1.3 y 1.7 de acuerdo con las características locales.

44




1.2.4 LECCIÓN 9: CAUDAL DE INCENDIOS

Para la definición de los caudales de incendio, el diseño debe tener en cuenta la

distribución predial de la zona a ser abastecida, estableciendo las zonas residenciales, las

zonas residenciales de alta densidad, las zonas comerciales y/o las zonas industriales. Para

cada una de ellas se debe definir el número de hidrantes y su localización además de su

caudal unitario.

1.2.4.1 Demanda mínima contra incendios para el nivel de complejidad del sistema bajo

y medio

Para poblaciones correspondientes a los niveles de complejidad del sistema bajo y medio,

el consultor debe justificar si la protección contra incendio se considera necesaria. Sin

embargo, se tendrá en cuenta que la presión requerida para la protección contra

incendios puede obtenerse mediante el sistema de bombas del equipo del cuerpo de

bomberos y no necesariamente de la presión en la red de distribución.

Para poblaciones con niveles de complejidad del sistema medio alto y alto La demanda

mínima contra incendios debe estimarse teniendo en cuenta las siguientes

especificaciones:

1. Para municipios con una población menor a 20.000 habitantes, cualquier incendio,

independiente del uso de la zona en que ocurra debe ser atendido por un hidrante

con un caudal mínimo de 5 L/s.

2. Para municipios con poblaciones entre 20.000 y 60.000 habitantes, los incendios

que ocurran en zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios

multifamiliares, comerciales e industriales deben ser servidos por tres hidrantes,

bajo uso simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 5 L/s.

3. Los incendios en las zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos por un

solo hidrante con un caudal mínimo de 5 L/s.

4. Para municipios con poblaciones entre 60.000 y 100.000 habitantes, los incendios

que ocurran en zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios

multifamiliares, comerciales e industriales deben ser servidos por tres hidrantes,

bajo uso simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 5 L/s. Los

incendios en las zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos por dos

hidrantes en uso simultáneo, cada uno con un caudal mínimo de 5 L/s.

5. Para municipios con más de 100.000 habitantes, los incendios que ocurran en

zonas residenciales densamente pobladas o zonas con edificios multifamiliares,

comerciales e industriales deben ser servidos por cuatro hidrantes, bajo uso

45




simultáneo, cada uno de ellos con un caudal mínimo de 10 L/s. Los incendios en las

zonas residenciales unifamiliares deben ser servidos con dos hidrantes en uso

simultáneo, cada uno con un caudal mínimo de 10 L/s.

46




1.2.5 LECCIÓN 10. EJEMPLO DE APLICACIÓN

Estimar las dotaciones y los caudales para el municipio de “San Pedro”, mediante el

método de dotación neta por habitante, teniendo en cuenta el cálculo poblacional

realizado anteriormente, y que la temperatura promedio del municipio es de 22°C, y está

ubicado a 1500 m.s.n.m.

1.2.5.1 CALCULO DE LA DOTACIÓN NETA MÁXIMA

Mediante la

Tabla 14, podemos determinar la dotación neta máxima.


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

De acuerdo al nivel de complejidad del sistema MEDIO ALTO y su clima templado - frio ya

que esta en alturas superiores a 1000 m.s.n.m, su dotación neta máxima es de 125 L/

hab·día.

El municipio de San Pedro, no posee una gran industria, con lo cual el mayor consumo es

el del uso residencial, con lo cual determinamos un porcentaje del 10%, para los demás

usos como: institucional, comercial e industrial, con lo cual la dotación neta seria de:

Dotación Neta = 125 L/hab*d + 125 L/hab*d * 0.1 = 137.5 L/hab*d

Pérdidas técnicas

El municipio de San Pedro no cuenta con una buena red de Acueducto, la empresa

prestadora del servicio, indica que existen muchas fugas en su conducción, pero no se

47




posee información suficiente para determinar las pérdidas técnicas, por lo tanto teniendo

en cuenta el nivel de complejidad del sistema MEDIO ALTO y de acuerdo al título B.2.7 de

la norma RAS 2010, se toma el valor máximo permitido, que es un 25% de pérdidas en el

sistema de acueducto.

Dotación bruta

De acuerdo a formula (B.2.8) de la norma RAS 2010

Dotacion Bruta = dneta

1 − %p

Dotacion Bruta = 137.5 = 183.3 L hab dia

1 − 0.25

Calculo de la demanda de agua

Demanda de agua Proyectada 25 años a partir del 2012

Población año 2037: 49110 habitantes

Caudal medio diario (qmd)

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

Qmd =

población futura × dotación bruta

86400

=

54378 × 183.3

86400

= 115.4 L s

Caudal máximo diario

El caudal máximo diario se calcula según la ecuación del RAS 2010 ecuación B.2.10. Donde

nos recomiendan que, en caso de sistemas nuevos, el valor del coeficiente de consumo

máximo diario, k1, será 1.30.

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

48




Caudal máximo horario

El caudal máximo diario se calcula según la ecuación del RAS 2010 ecuación B.2.11. Donde

nos recomiendan que “en el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de

consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, k2, corresponde a un

valor comprendido entre 1.3 y 1.7 de acuerdo con las características locales. Tomamos el

valor de k2=1.6

CAUDAL MAXIMO HORARIO (QMH) = QMD * k2 = 150 * 1.6 = 240 L/s.

CAUDAL DE DISEÑO

Según la RAS 2000 en su titulo C numeral C.1.4.1, nos recomienda que el caudal de diseño

de la planta de tratamiento debe ser el CAUDAL MÁXIMO DIARIO, cuando se cuente con

almacenamiento, o en su defecto el caudal máximo horario.

Para nuestro caso de estudio el CAUDAL DE DISEÑO será el CAUDAL MÁXIMO DIARIO

(QMD).

QD = QMD = 150 L/s

49




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

TRATAMIENTO

En este capítulo se introduce al estudiante en el área de los procesos de tratamientos de

potabilización desde la mirada de los procesos unitarios, esta es una nueva clasificación de

los procesos de tratamiento empleada a nivel mundial que nos permite, analizar el

proceso de potabilización desde cada una de las operaciones unitarias que se llevan a

cabo, porque estos procesos pueden ser aplicados en diferentes vectores ya sea en suelo

o aire, sin embargo enfatizaremos en el vector agua, por ser el que nos concierne en el

campo de la potabilización de agua. Además iniciamos con la primera tecnología que se

desarrolla en el proceso de potabilización que se denominan los pretratamientos, la

mayoría de los casos pertenecen al grupo de los procesos unitarios de transferencia de

sólidos. Y finalizamos con un caso de aplicación de un pretratamiento consistente en un

proceso de desbaste o cribado (rejilla).

1.3.1 LECCIÓN 11. PROCESOS UNITARIOS PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA:

Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano

han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustancias

químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas. Para

hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o

procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por

los seres humanos.

Un proceso unitario son aquellas transformaciones en las que existe la presencia de una

reacción química de por medio y que involucran una o varias operaciones unitarias. Una

operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las

sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias

inocuas. La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el

estado de una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este

fenómeno recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción

de oxígeno al agua (transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de

anhídrido carbónico contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa)

mediante el proceso de aireación.

Los principales Procesos Unitarios empleadas en el tratamiento del agua para consumo

humano son los siguientes:

— transferencia de sólidos;

50




— transferencia de iones;

— transferencia de gases, y

— transferencia molecular o de nutrientes.

1.3.1.1 Transferencia de sólidos

Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y

filtración.

Cribado o cernido

Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos

de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de

residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que

consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser

removidas mediante sedimentación. En la Fig. 6, se observa las rejillas de una planta de

tratamiento de la costa Colombiana, estas rejillas son el primer paso en el tratamiento, el

agua a tratar proviene de la desembocadura del rio Magdalena, tienen una amplia

separación de barras, que permite retener únicamente los sólidos muy gruesos, y su

limpieza es manual.

Fig. 6. Rejillas Planta de Tratamiento Triple A. Barranquilla. Primera etapa

Fuente. Elaboración propia.

51




La Fig. 7, presenta el segundo paso en el proceso de potabilización, estas rejillas tienen

una menor separación de barra, y además su limpieza es mecánica.

Sedimentación

Fig. 7. Rejillas mecánicas. Segunda etapa

Fuente: Elaboración propia

Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza

gravitacional, las partículas en suspensión más densas. Este proceso se realiza en los

desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores; en estos últimos,

con el auxilio de la coagulación. La Fig. 8, presenta la imagen de un desarenador

convencional empleado en acueductos.

52




Fig. 8. Desarenador convencional

La Fig. 9, nos presenta la imagen de un sedimentador de alta taza de placas inclinadas,

empleado en procesos de potabilización de agua.

Flotación

Fig. 9. Sedimentador de Alta taza

Fuente: Elaboración propia.

El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya

densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son

retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de

flotación. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y

color. Los agentes de flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de

aire, uno de los procesos para tratamiento de aguas más empleado en nuestro medio, es

53




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

trampa de grasas.

Filtración

Fig. 10. Esquema de una trampa de grasas.


Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en

el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las

características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso.

Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como

proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados

además de la arena —que es el más común — son la antracita, el granate, la magnetita, el

carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el

pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar

exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles.

La Fig. 11, nos presenta la imagen de uno de los filtros de la planta de potabilización de

Barranquilla, vacío debido a la condición de lavado del filtro, se puede observar muy bien

cada una de sus partes, como tubería de entrada (inferior), medio de soporte (arena),

canaleta de lavado (centro).

54




Fig. 11. Filtro de Arena, vaciado


Fig. 12. Sistema de Filtración convencional. Modo Filtración.


Se recomienda ver el siguiente enlace, donde explica el proceso de tratamiento de la

planta de Puerto Mallarino de Cali

55




1.3.2 LECCIÓN 12. TRANSFERENCIA DE IONES

La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades

coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que

neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de

mayor tamaño y peso.

Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y hierro. Las

condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este

proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color.

1.3.2.1 Precipitación química

La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos

iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado.

Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento),

mediante la adición de cal. La Fig. 13, nos indica el sistema de dosificación de coagulante

empleado en la triple A de Barranquilla, compuesto por bombas y tanque de mezcla.

Fig. 13. Sistema de dosificación coagulante Triple A. Barranquilla

Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla)

La Fig. 14, nos presenta el sistema de aplicación del coagulante de la Triple A de

Barranquilla. La aplicación se realiza generalmente mediante dispositivos hidráulicos,

56




como son las canaletas parshall o los resaltos hidráulicos, en la figura Fig. 14, el dispositivo

de mezcla es un resalto hidráulico.

Adición

coagulante

Fig. 14. Sistema de aplicación coagulante. Resalto hidráulico

Fuente: Elaboración propia. (Triple A Barranquilla)

1.3.2.2 Intercambio iónico

Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la

sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de

agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un

intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un

medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de

calcio y magnesio, se regenera introduciéndola en un recipiente con una solución saturada

de sal.

1.3.2.3 Adsorción

La adsorción consiste en la remoción de iones y moléculas presentes en la solución,

concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las

fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la

aplicación de carbón activado en polvo.

57




1.3.3 LECCIÓN 13: TRANSFERENCIA DE GASES Y MOLECULAR

Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua

mediante procesos de aireación, desinfección y recarbonatación.

Aireación

La aireación se efectúa mediante caídas de agua en escaleras, cascadas, chorros y también

aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo.

Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico,

ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores. La Fig. 15,

presenta un sistema de aireación en cascada mediante bandejas.

Desinfección

Fig. 15. Sistema de Aireación en cascada

Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada, para la

eliminación de microorganismos patógenos.

Recarbonatación

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

después del ablandamiento.

58




TRANSFERENCIA MOLECULAR

Proceso en el cual organismos saprofitos convierten sustancias orgánicas complejas en

materia celular viviente y en materia más simple ó más estable incluyendo los gases de

descomposición y los organismos fotosintéticos convierten a las sustancias simples

principalmente inorgánicas, en material celular, utilizando la luz solar, produciendo como

sub-producto el oxigeno y el bióxido de carbono. Estos procesos son empleados

usualmente en el tratamiento de aguas residuales y no para potabilización, debido a que

requieren una considerable cantidad de nutrientes en el agua a tratar.

Son ejemplos:

a) La destrucción o biodegradación aeróbica.

b) La destrucción o biodegradación anaeróbica.

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

simples, de plantas y luz solar.

OTROS PROCESOS UTILIZADOS

Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento

del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la

fluorización.

Estabilización de solutos

La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma

inocua, sin llegar a su remoción. Son ejemplos de este proceso la transformación del

anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de

cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la

transformación de ácido sulfhídrico en sulfato.

Desalinización

Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las

aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis

inversa, etcétera.

Fluorización

Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños

menores de 5 años.

59




1.3.4 LECCIÓN 14. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN

Tal como se observó anteriormente existen sistemas convencionales para el tratamiento

de agua, no obstante hay múltiples a alternativas de tratamiento para lograr la

potabilización de agua, la Fig. 16, nos presenta una serie de configuraciones que se

pueden emplear para el tratamiento de agua, la selección de que tecnología se aplicará

dependerá de diversos factores.

Fig. 16 Configuraciones típicas de Sistemas de purificación de agua

Fuente: (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004)

Algunos criterios de preselección de la tecnología apropiada pueden ser:

Localización:

o Contexto del proyecto (periodo de diseño, urgencia)

o Características de la comunidad (Accesibilidad, inundación, estabilidad)

60




o Características del suelo

o Calidad del agua

Perfil de la comunidad

o Demografía

o Requerimientos de la comunidad

Control de contaminación

o Calidad del efluente

Implementación

o Facilidad

o Construcción

Sostenibilidad

o Facilidad

o Necesidad de la comunidad

o Operación y mantenimiento

Existen modelos de selección de tecnología muy empleados en nuestro medio, uno

recomendable es el elaborado por el CINARA de la Universidad del Valle llamado SELTEC.

1.3.4.1 Tipos de plantas de tratamiento de agua

Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios,

convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes

microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta

llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas.

Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de

procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta.

También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto, en

plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y

plantas de tecnología importada o de patente.

Plantas de filtración rápida

Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con

velocidades altas, entre 80 y 300 m 3 /m 2 *d, de acuerdo con las características del

agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener

estas instalaciones.

61




Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se

colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el

retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos

(dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante,

devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la operación de la unidad.

De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro

de este tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración

directa.

• Planta de filtración rápida completa

Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los

procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de

coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener

una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua

(mezcla rápida) seguida de una agitación lenta para promover la rápida

aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de floculación).

La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas

coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas).

El proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento

final al agua. De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de

Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un

efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre

de huevos de parásitos (Giardia, Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta

eficiencia en la filtración, es necesario que los decantadores produzcan un agua

con 2 UNT como máximo.

Finalmente, se lleva a cabo la desinfección, proceso común a los dos tipos de

plantas, las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función

principal de este proceso es completar la remoción de microorganismos patógenos

que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección contra la

contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución.

La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual

libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30

minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se verá

detalladamente en el capítulo sobre desinfección, para remover huevos de

parásitos se necesitarían aplicar dosis altísimas y disponer de tiempos de contacto

muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de parásitos son

grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT

puede producir un efluente exento de huevos de parásitos. Las altas tasas con las

62




que operan estos sistemas, así como el empleo de la coagulación (proceso cuya

operación requiere sumo cuidado), demandan recursos humanos capacitados, por

lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la

zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas

económicamente muy deprimidas.

En los casos en que las características del agua cruda o el terreno disponible para

construir la planta obliguen a adoptar este tipo de sistema, se deberán desarrollar

las condiciones locales necesarias para asegurar una buena eficiencia en calidad y

cantidad.

En la Tabla 15, se indican los rangos de calidad del agua en los que puede

considerarse esta alternativa de tratamiento.

Tabla 15. Limites de calidad para el tratamiento de agua mediante filtración rápida

completa.

Fuente: (Canepa de Vargas, 2004)

Filtración directa

Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla

rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de

solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes

presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco

contaminadas.

Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o

bien protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80%

del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la

alternativa de emplear filtración directa descendente.

63




La Fig. 17, presenta una descripción de los componentes de un sistema de

filtración directa, ascendente, esta compuesto por una cámara de carga, en donde

se recibe el agua a tratar, tubería de entrada donde se inyectan los coagulantes, un

juego de válvulas que permite el lavado del filtro, medio de soporte compuesto por

piedra y arena, y canaleta de agua filtrada.

Fig. 17. Esquema de filtración directa ascendente


64




Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año,

presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una

floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de

calidad constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más

restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar.

En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y

alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante

filtración directa ascendente.

La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa

ascendente–descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no

sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100

UC. La Fig. 18, presenta la descripción del sistema compuesto por una cámara de carga,

que recibe el agua a tratar, una tubería de entrada que incluye inyección de coagulante,

filtro de grava y arena de flujo ascendente, conectado a continuación a un filtro de flujo

descendente.

65





Fig. 18. Esquema Filtración Directa Ascendente Descendente

66




La

Tabla 16, sintetiza los rangos de calidad de agua óptimos para cada alternativa de

tratamiento mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la

fuente, para estar bien seguros de su comportamiento estacional, sobre todo durante los

ciclos lluviosos.

Tabla 16. Limites de Calidad de Agua para plantas de filtración directa

(Canepa de Vargas, 2004)

Plantas de filtración lenta

Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es,

con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros

rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su

lugar de origen.

Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en

forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a

través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla

hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos

que emplean estos filtros son físicos y biológicos.

67




Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero

dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, pre

sedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta. Uno

de los procesos más empleados es el de la tecnología de Filtración en Múltiples Etapas

“FIME”, esta tecnología esta conformada por dos o tres componentes o etapas principales

de filtración. La opción de tres etapas, filtro dinámico, filtro grueso y filtro lento en arena

FLA, se presenta en la Fig. 19.

Fig. 19. Esquema de Filtración lenta tipo FIME.


Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua

cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se

puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal

no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar

en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos.

68




Tabla 17, presenta el número de procesos que debe tener la planta para diferentes rangos

de turbiedad, color y contaminación microbiológica del agua cruda.

Tabla 17. Limites de calidad de agua para el tratamiento mediante filtración lenta.


69




1.3.5 LECCIÓN 15. PRE TRATAMIENTOS

Corresponden a esta clasificación sistemas de tratamiento de agua, constituidos por las

siguientes unidades:

Pretratamiento:

Desarenadores;

Presedimentadores o embalses.

Rejilla y canal de aducción

1.3.5.1 Desarenadores

Estas unidades tienen por objeto remover la arena, la gravilla y las partículas minerales

más o menos finas que acarrea el agua cruda, con el fin de evitar que se depositen en los

conductos, Asimismo, buscan proteger las bombas y otros equipos de la abrasión y evitar

que este material rellene las unidades de tratamiento restándoles capacidad.

Normalmente tienen forma rectangular y están compuestos por varias zonas, zona de

entrada II, sedimentación III, de almacenamiento de lodos (IV) y salida (V), una descripción

de ellas se observa en la Fig. 20.

70




Fig. 20. Zonas de un desarenador

Fuente: (López Cualla, 2008)

1.3.5.2 Canal de entrada y rejilla

El primer paso en el tratamiento del agua potable y residual consiste en la separación de

los sólidos gruesos, este proceso se enmarca dentro del proceso unitario de transferencia

de sólidos, y se denomina desbaste o cribado, la descripción de este proceso se revisó en

la lección 3.1.1. el procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual

bruta a través de rejas de barras. Las rejas de barras suelen tener aberturas libres entre

barras de 15 mm o mayores. Las rejas de barras pueden limpiar manual o mecánicamente.

Las características de ambos tipos de comparan en la Tabla 18.

Tabla 18. Características de las Rejillas

Fuente: (Romero Rojas, 2008)

71




Velocidad del flujo en la rejilla

La velocidad efectiva del flujo a través de la rejilla debe ser inferior a 0.15 m/s, con el fin

de evitar el arrastre de materiales flotantes.

Canal de entrada

Para el dimensionamiento de las rejillas de limpieza mecánica es necesario diseñar el canal

por el cual será conducida el agua hacia el proceso de tratamiento, para posteriormente

compararlo con parámetros de velocidad y abertura de barras sugeridos.

Aplico la ecuación de Manning

Donde:

Qn

ARh

1/

2

S

Q = Caudal de diseño Caudal Máximo Diario (QMD )

S = Pendiente del canal (adimensional)

A = Area del canal m 2

Rh = Radio hidráulico, m

2/3

h

b

bh

Rh

( b 2h)

Se despeja h, de la ecuación de Manning y obtenemos h.

Calculamos el área y obtenemos la velocidad del flujo

Q

V

A

72




Dimensionamiento de la rejilla

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

L

B

t t t t t t t

a/2 a a a a/2

Fig. 21. Rejilla con barras paralelas

Donde:

a = Espaciamiento libre entre barrotes, dado por norma.

t = Espesor de los barrotes (diámetro asignado)

N = Número de espacios = número de barrotes (para el sistema de la figura)

L = Longitud de la rejilla

b = Ancho de la rejilla

AN = Área neta (área necesaria para desaguar un caudal Q con una velocidad de 0,15

m/seg).

AT = Área total

e = Porcentaje útil de la rejilla

A N

N * a * b

A t

N * a*

b N * t * b b*

L

N(

a t)

L

73




e

A

A

N

t

N * a*

b a

N * b(

a t)

a t

A

N

eA

t

a

At

a t

Despejando en función de la longitud de rejilla, L

a

A N

* b*

L e*

b*

L

a t

Despejo L

An

L

e*

b

Procedimiento de cálculo:

- Se supone : L y se calcula b

L

- Cálculo del número de barras = N orificios = a t

N.A. Mín

b

H1

Fig. 22. Rejilla lateral inclinada

74




Se asume b y se calcula la longitud L.

Para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla se aplica la fórmula de Kirschmer dada

en el cálculo de pérdidas de rejillas Romero Rojas, 2008.

4 / 3

t

H

hv*

sen

a

Donde:

H = Pérdida de energía, m

= factor de forma de las barras

= 2.42 para barras rectangulares de caras rectas

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

= 1.83 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba

= 1.79 para barras circulares

t = ancho máximo de la sección transversal de las barras, en la dirección del flujo

a = Separación entre barras

Hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación,m

= ángulo de la rejilla con la horizontal

1.3.5.3 Ejemplo de diseño

Diseñar el canal de entrada y la rejilla inclinada para el la población de San Pedro. De

acuerdo con Tabla 18, los parámetros de diseño de la rejilla son:

Datos iniciales:

Caudal =

Q = 0.15 m3/s

Pendiente del canal = 0.1% = 0.001

Coeficiente de rugosidad de Manning n = 0.014

1. CALCULO DEL CANAL DE ENTRADA

Aplicamos la ecuación de Manning (López Cualla, 2008)

2 / 3 1/ 2

ARh S

Q

n

75




Remplazando el área y el radio hidráulico tenemos que:

bh

Rh

( b 2h)

( b*

h)

bh

Qn *

( b 2h)

2/3

* S

1/ 2

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

tengo que:

Qn

S

1/ 2

AR

2/3

* bh

2

b h

b h

2/3

2/3

2

bh

2 2h

2/3 2 h 2/3

b h

2h

( ) 2h

( )

1 / 2

Qn

S

*

h

b 2h

4h

2

8/3

Qn

h

S

(3/8)

1/

2

Donde:

h = nivel de agua en el canal de entrada

Remplazando

3

0.15m

/ s*0.014

1/ 2

(0.001)

(3/8)

h

h 0. 36m

76




Por seguridad aumento 9 cm (10-30% de h) con o cual h = 0.45

Por lo tanto b = 2*h = 0.9 m

2. CALCULO DEL ÁREA DEL CANAL

Por lo tanto el área es:

A = b * h = 0.9m * 0.45m = 0.405 m 2

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

3

Q 0.15m

/ s

V 0.37m/

s

2

A 0.405m

Chequeo con la Tabla 18 la velocidad de aproximación para rejillas de limpieza

manual tiene que estar entre 0.3 – 0.6 m/s. Por lo tanto Cumple con los

requerimientos

3. DIMENSIONAMIENTO REJILLA

Se adoptan barrotes de ½” (1.27 cm), con una separación entre ellos de 3 cm. Por otra

parte, la velocidad entre barrotes igual a 0.37 m/s, que es la velocidad de

aproximación en el canal (López Cualla, 2008).

Datos de diseño:

Parámetro Valor Unidad

C 0.9

a espaciamiento libre

3 cm

t espesor barrotes

1.27 cm

V

0.370 m/s

L rejilla = Lcanal – 0.2m

0.7 m

Angulo ° 45

77




a) Cálculo del área neta

b) Calculo el ancho de rejilla B: Se supone una longitud de rejilla similar al ancho del

canal menos 0.2 cm menos, con el fin de dejar 0.1m de lado y lado de la rejilla para

instalar unas pestañas de agarre de la rejilla en el canal, por lo tanto la longitud de

la rejilla será: 0.9 – 0.2= 0.7 m. Con lo cual remplazo y calculo B mediante la

ecuación:

B

An *( a t)

0.45m

a * Lr

2

(0.03m

0.0127m)

0.92

0.03*0.7m

Donde:

An

a

t

B

Lr

= Área neta

= separación de barrotes

= Diámetro de barrotes

= ancho de rejilla

= longitud rejilla

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

Similar al anterior OK

c) Cálculo del número de orificios

2

An 0.45m

N =

16.

3

a*

B 0.03m*0.92m

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

siguientes condiciones finales:

78




d) Recalculo el área neta

e) Chequeo la velocidad

Q m s

V

0.15 3/

0.36m

/ s

0.9* An

2

0.9*0.44m

Similar a la anterior OK.

f) Chequeo Longitud de rejilla

An *( a t)

0.44*(0.03

0.0127)

L

0. 72m

a*

B 0.03*0.92

Similar a la anterior OK.

4. CALCULO DE PÉRDIDAS MENORES

Para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla se aplica la fórmula de Kirschmer

dada en el cálculo de pérdidas de rejillas (Romero Rojas, 2008). Teniendo en cuenta

que se trabajará con barras circulares, de ½”, y con un ángulo de 45°, aplicamos la

fórmula.

Donde:

H = Pérdida de energía, m

t = 1.27 cm

a = 3 cm

KV

H

2g

2

4 / 3

t

K

* sen

a

79

0,9

B

A`

A

B´




4 / 3

1.27

K 1.79

* sen45

0.4

3

2 2

(0.37m/

s )

H 0.4*

0.0028m

0. 28cm

2*9.81m2/

s

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

5. Esquemas de diseño

0,64

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

80

0,39

0,39

0,9

0,64

0,9

0,8




0,9

0,71

0,1 0,71 0,1

Fig. 24. Corte A – A´

REJILLA

45°

0,64

Fig. 25. Corte B – B´

81

0,9




0,71

0,03

0,01

0,02

82




2 UNIDAD 2. PROCESOS UNITARIOS TRANSFERENCIA DE IONES CAPITULO 4

COAGULACIÓN QUÍMICA DEL AGUA

La coagulación a escala industrial no fue empleada hasta principios del siglo XIX y fue

consecuencia de la observación de lo que podía lograrse mediante la adición de

electrólitos. Schultze y Hardy estudiaron estas reacciones y plasmaron los resultados en

las hoy llamadas reglas de Schultze (1882) –Hardy (1901). En ellas se dice que la

coagulación es provocada por iones que tienen una carga opuesta a la de las partículas

coloidales y que el poder coagulante de un ión depende en gran medida de su valencia.

Así, un ión divalente es entre 30 y 60 veces más eficaz que otro monovalente, y uno

trivalente; unas 700 a 1000 veces más que el monovalente (RODRIGUEZ, 2006).

Existe también una serie que clasifica los iones según su efectividad en la coagulación de

coloides hidrófobos, denominada serie de Hofmeister (1850 -1922):

Fe 3+> Al 3+ >Zn 2 >Ba 2+ >Ca 2 +>Mg 2 >Li + >Na + >K +

Posteriormente se comprobó que el efecto neto de la adicción de electrolitos es disminuir

el espesor de la doble capa eléctrica, cuando la cantidad de electrolito es suficiente para

reducir la barrera de la capa doble, se produce una coalescencia irreversible y la

coagulación es rápida; sin embargo, cuando la cantidad de electrolito reduce solo

parcialmente el espesor de la capa doble, la coagulación es lenta[1].

2.1.1 LECCIÓN 16: PARTÍCULAS COLOIDALES

El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas

últimas destacan las partículas coloidales, las sustancias húmicas y los microorganismos

en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga superficial negativa, que

impide que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un

medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es

preciso alterar algunas características del agua, a través de los procesos de coagulación,

floculación, sedimentación (o flotación) y filtración.

No hay límites definidos de tamaño para las partículas coloidales pero por lo general se

considera que tienen una dimensión entre 1 y 1,000 milimicrones aproximadamente. En

términos generales, los denominados coloides presentan un tamaño intermedio entre las

partículas en solución verdadera y las partículas en suspensión. La Fig. 26 ilustra sobre el

tamaño aproximado de las partículas y su distribución. Es necesario hacer notar, sin

83




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

mismos.

Atomos

y Molèculas

Colides

Bacterias

Particulas Suspendidas

Algas

Microscopio

Electronico

Ultra

Microscopio

Microscopio

Poros de papel de filtro

Milimicrones (Mµ)

Micrones (µ)

Milimetros (mm)

1

10 -3

10

-2

10

-6

10 10 -5

10 2 10

3

10 -2

-5

10

1

10 -3

4

10

10

10 -2

Fig. 26. Tamaño de las partículas suspendidas

Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)

5

10

2

10

10 -1

10 6

10 3

1

Existen varios términos para distinguir los tipos de sistemas coloidales. Para el tratamiento

de agua, los más importantes son hidrofílico e hidrofóbico.

Los coloides hidrofílicos (del griego philos, querido) muestran gran atracción por el agua,

mientras que los hidrofobicos (del griego phobe, fobia) muestran menos atracción.

El calificativo hidrofóbico (fobia al agua) es impropio ya que si una sustancia repele

completamente un medio potencial de dispersión no podría siquiera ser mojada y

tampoco habría dispersión. Lo cierto es que las sustancias hidrofóbicas muestran una

atracción considerablemente menor por el agua que las hidrofílicas. Los coloides

hidrofobicos son importantes en el tratamiento del agua e incluyen sustancias como

arcillas y óxidos metálicos.

2.1.1.1 Propiedades de los coloides

Los coloides ofrecen una variedad muy interesante de propiedades.

presentamos las más importantes:

A continuación

84




Propiedades cinéticas

a. Movimiento Browniano. Una de las propiedades que más distingue a las

dispersiones coloidales, es el que no pueden sedimentarse, aun cuando las

partículas sean más densas que el líquido que las rodea. Consiste en el movimiento

constante e irregular que realizan las partículas coloidales dentro de la fase líquida.

Se llama así en honor al botánico escocés Robert Brown (1773-1858) quien fue el

primero en describirlo, al notar los movimientos constantes de partículas

provenientes del polen bajo el microscopio.

La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo desigual y

casual de las partículas en suspensión por las moléculas del líquido. Al elevarse la

temperatura del líquido las moléculas adquieren mayor energía cinética y aumenta

el movimiento browniano.

Es importante recordar que el movimiento Browniano solo puede explicar la

estabilidad de las dispersiones coloidales más pequeñas. Para tamaños de

partículas mayores, los factores más importantes son corrientes de convección

termal y velocidades bajas de sedimentación.

b. Difusión. Tiene relación estrecha con el movimiento Browniano. El movimiento

constante de las moléculas del líquido (en nuestro caso agua) ocasiona que las

partículas coloidales se encuentren en movimiento Browniano constante, lo que a

su vez acarrea una tendencia de las partículas coloidales a dispersarse por todas

partes en el disolvente, en este caso en el agua. Como es de esperarse la velocidad

de difusión es menor que la velocidad media de las partículas en el movimiento

Browniano.

c. Presión osmótica. Si un solvente (agua) y un sistema coloidal (agua + coloides)

se encuentran separados por una membrana, la cual es permeable al solvente pero

no a los coloides, la dilución puede ocurrir únicamente con el movimiento del

solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana. Esto ocurre en forma

espontánea y se llama flujo osmótico. Si se aplica una presión hidrostática

apropiada de forma que el flujo osmótico se detenga, se alcanza un estado de

equilibrio. La presión balanceante es la presión osmótica. Esta propiedad es

interesante ya que se pueden utilizar determinaciones experimentales de presión

osmótica para calcular el número de partículas y el peso promedio de dicho

número en sistemas coloidales.

85




Propiedades ópticas

Efecto de Tyndall-Faraday. Es un fenómeno físico que hace que las partículas

coloidales en una disolución o un gas sean visibles al dispersar la luz. La dispersión

es directamente proporcional al tamaño de las partículas. El efecto de Tyndall-

Faraday se utiliza en la determinación de la turbiedad por medio de un

nefelómetro. Esta determinación, lamentablemente, no se relaciona en ningún

caso con el número de partículas de turbiedad, ni siquiera con la masa total.

Propiedades de superficie (adsorción)

Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica,

definida como relación entre el área superficial y la masa. La Tabla 19, muestra el

efecto de la disminución del tamaño de las esferas sobre el área total superficial y

el tiempo de sedimentación requerido. En la tabla se puede apreciar que es

impracticable sedimentar las impurezas coloidales sin tratamiento químico previo.

La gran superficie específica da a los coloides una gran capacidad de adsorción.

Diámetro de la

partícula mm

Tabla 19. Efecto al disminuir el tamaño de las esferas

Escala de

tamaños

Área superficial

total*

Tiempo requerido

para sedimentar**

10 Grava 3.15 cm 2 0.3 s

1 Arena gruesa 31.50 cm 2 3 s

0.1 Arena fina 315.00 cm 2 38 s

0.01 Sedimento 3150.00 cm 2 33 min

0.001 Bacteria 3.15 m 2 55 Horas

0.0001 Partícula coloidal 31.50 m 2 230 Días

0.00001 Partícula coloidal 0.283 Ha 6.3 Años

0.000001 Partícula coloidal 2.83 Ha 63 Años


* Área de partículas del tamaño indicado, producida a partir de una partícula de 100 mm

de diámetro y gravedad específica de 2.65.

** Cálculos basados en esferas con gravedad específica de 2.65 que sedimentan 30 cm.

Propiedades electrocinéticas.

Son muy importantes para comprender la estabilidad de las dispersiones coloidales. Al

pasar una corriente directa a través de una solución coloidal las partículas son arrastradas

a los electrodos positivos o a los negativos: este fenómeno, descubierto por Reuss en

86




1807, es conocido con el nombre de electroforesis. Su importancia se debe a que nos

indica que las partículas coloidales tienen carga eléctrica y que se mueven de acuerdo al

signo que tengan hacia el electrodo de signo opuesto. Casi todos los coloides tienen carga

negativa y se trasladan hacia el electrodo positivo.

2.1.1.2 Teoría de la doble capa eléctrica

Las partículas coloidales poseen un exceso de carga superficial, adquirida mediante

procesos de ionización de grupos funcionales (-C00-H+, -SiO-H+,-NH 3 +, etc) o de adsorción

de otros iones presentes en el medio de dispersión. Este exceso de carga superficial afecta

a la distribución de los iones del entorno, de modo que los iones de distinto signo (contra

– iones) son atraídos hacia la superficie mientras que los del mismo signo (co – iones) son

repelidos. Este fenómeno, unido a la agitación térmica de todo el sistema, da lugar una

distribución de carga alrededor de la partícula cuya estructura adopta la forma de doble

capa eléctrica.

Fig. 27. Estructura de la doble capa eléctrica

87




Se la denomina doble capa puesto que puede considerarse formada por dos regiones con

propiedades claramente diferenciadas: una primera región más próxima a la superficie,

formada por iones firmemente ligados a esta y la relativamente de poco espesor,

denominada capa rígida (Stern, 1924), y una segunda capa más extendida, en donde el

efecto térmico permite un más acusado movimiento iónico, denominada capa difusa y

que realmente constituye una atmósfera iónica.

Potencial z

Existe en la atmósfera iónica una superficie, denominada plano de deslizamiento, que es

el de la distribución iónica se rompe en caso de que la partícula se ponga en movimiento.

El potencial eléctrico en este plano puede determinarse experimentalmente, ya que

representa la energía mínima por unidad de carga que es necesario aplicar para separar la

partícula de su atmósfera iónica. Este proceso de ruptura, que tiene lugar cuando se aplica

una diferencia de potencial apropiada, se produce a lo largo de la superficie de separación

de las capas rígidas y difusas, y se le denomina potencial Zeta o potencial electrocinético.

2.1.2 LECCIÓN 17: TEORÍA DE LA COAGULACIÓN.

La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de aluminio y hierro.

Este proceso es resultado de dos fenómenos:

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

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

depende de la concentración del coagulante y el pH final de la mezcla.

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

hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua.

Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100

segundos, de acuerdo con las demás características del agua: pH, temperatura, cantidad

de partículas, etcétera. Se lleva a cabo en una unidad de tratamiento denominada mezcla

rápida. De allí en adelante, se necesitará una agitación relativamente lenta, la cual se

realiza dentro del floculador. En esta unidad las partículas chocarán entre sí, se

aglomerarán y formarán otras mayores denominadas flóculos; estas pueden ser

removidas con mayor eficiencia por los procesos de sedimentación, flotación o filtración

rápida.

88




La remoción de las partículas coloidales está relacionada estrictamente con una adecuada

coagulación, pues de ella depende la eficiencia de las siguientes etapas: floculación,

sedimentación y filtración.

La coagulación está fundamentalmente en función de las características del agua y de las

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

pH, alcalinidad, color verdadero, turbiedad, temperatura, movilidad electroforética, fuerza

iónica, sólidos totales disueltos, tamaño y distribución de tamaños de las partículas en

estado coloidal y en suspensión, etcétera.

2.1.2.1 Fundamentos teóricos

Los términos floculación y coagulación frecuentemente son usados como sinónimos,

ambos significando un proceso integral de aglomeración de partículas. Entre diversas

definiciones se tienen las siguientes interpretaciones:

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

reduciendo las fuerzas que tienden a mantener separadas las partículas en

suspensión. La coagulación comienza en el mismo instante en que se agregan los

coagulantes al agua dura solamente fracciones de segundo. Básicamente consiste

en una serie de reacciones físicas y químicas, entre los coagulantes, la superficie de

las partículas, la alcalinidad del agua y el agua misma.

Floculación: Aglomeración de partículas por efecto del transporte del fluido

formando partículas de mayor tamaño que son sedimentadas por efecto de la

gravedad.

Se llama coagulación-floculación al proceso por el cual las partículas se aglutinan en

pequeñas masas con pesos específicos superior al del agua llamadas floc: Dicho proceso se

usa para:

- Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no puede sedimentar

rápidamente.

- Remoción de color verdadero y aparente.

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

separados por coagulación.

89

Sedimentación

Sedimentación

Quinta Fase

Cuarta Fase




- Destrucción de algas y plancton en general.

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

precipitados químicos suspendidos o compuestos orgánicos en otros.

2.1.2.2 Fases de la coagulación.

Desde un punto de vista esquemático, se puede considerar que la coagulación se

desarrolla en cinco fases consecutivas o simultáneas que explican reacciones físicas y

químicas, de la siguiente forma:

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

existentes en la suspensión;

Segunda fase. Precipitación y formación de compuestos químicos que se

polimerizan;

Tercera fase. Adsorción de las cadenas poliméricas en la superficie de los

coloides;

Cuarta fase. Adsorción mutua entre coloides; y

Quinta fase Acción de barrido.

La Fig. 28 presenta en forma esquemática las cinco fases descritas.

COAGULANTE

Primera Fase

Segunda Fase

Tercera Fase

PH

PH

PH

PH

PH

PH

PH

PH

Particula Negativa

Polimero añadido o

formado por el coagulante

PH: Productos de hidrólisis

positivamente cargados

PH

PH

PH

PH

PH

PH

PH

PH

Fig. 28. Modelo esquemático del proceso de coagulación

90




El modelo es bastante simple, por lo tanto se aclara que las fases pueden coexistir y en

ocasiones invertirse (re estabilización); las fases uno y tres pueden ser simultáneas cuando

se agregan polielectrolitos al agua, esto es coagulantes que están previamente

polimerizados, en cuyo caso la desestabilización es debida a la adsorción de las cadenas

agregadas con el polietectrolito; cuando se usan coagulantes metálicos la

desestabilización y la polimerización pueden ocurrir como fenómenos separados, no

necesariamente consecutivos. Todas las reacciones dependen de la alcalinidad, el pH y la

temperatura del agua.

En el enlace encontrarán un video que visualiza estas fases de la coagulación.

http://www.youtube.com/watch?v=Cbat4qa6KAs

2.1.2.3 Diagramas de coagulación - turbiedad

Para poder conocer qué tipo de coagulación se produce, suelen utilizarse los diagramas

de coagulación. Amirtharajah los describe de la siguiente manera “Los diagramas de

coagulación son herramientas útiles para predecir las condiciones químicas que gobiernan

el proceso: Dichos diagramas se usan para determinar la dosis de coagulante en función

de los pH y se desarrollan a partir de los diagramas de estabilidad termodinámica para la

fase sólida de hidróxido de aluminio”

La Fig. 29, muestra la interacción entre coloides, el hidróxido de aluminio y el potencial Z

resultante debido a esta interacción par distintas dosis de sulfato de aluminio a distintos

pH. La forma de estas zonas varía de acuerdo con la calidad de agua.

Se puede ver que con dosis superiores a 15 mg/l de sulfato de aluminio y pH

comprendidos entre 5.5 y 9.0 se consigue coagulación de Barrido con un óptimo entre 6.7

y 8.3 para dosis entre 30 y 60 mg/l. La coagulación por adsorción-neutralización, en

cambio se logra con pH entre 5.0 y 7.0 y dosis de coagulantes entre 15 y 3.0 mg/l. A pH

menores de 5.0 puede llegarse también a producir adsorción-neutralización con dosis

mayores hasta de 60 mg/l. En la parte superior del diagrama se ha incluido la curva de

potencial Z que muestra como a pH menor de 4.8 el potencial de las partículas se hace

negativo. Por encima, tal valor se torna positivo y vuelve a pasar por Z=0 a pH= 6.8 para

regresar a ser negativo de allí para adelante. Por tanto existen dos regiones óptimas en

que se puede hacer la coagulación cerca del punto isoeléctrico a pH =4.8 y a pH=6.8. Entre

estas dos regiones los coloides se re estabilizan debido al exceso de cargas positivas

adsorbidas. Cabe aclarar que cada agua exhibe sus propias características y que por tanto

91




el diagrama de la figura 6.2 debe tomarse como una guía general que de hecho puede

variar según el tipo de coloides presentes y las condiciones de la fase líquida.

La distinción entre uno y otro tipo de coagulación es significativa cuando como veremos

más adelante, se quiere realizar filtración directa (esto es filtración sin floculación ni

sedimentación previas) en la que es indispensable utilizar en todo momento coagulación

por adsorción-neutralización, evitado la coagulación por barrido, la cual tiende a producir

muchos sólidos. También es de importancia en la mezcla rápida en donde la velocidad del

proceso depende del tipo de coagulación.

Fig. 29. Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio

92




2.1.3 LECCIÓN 18: COAGULANTES

Los coagulantes son los responsables de que se produzca el proceso de la coagulación. Los

coagulantes los podemos clasificar en dos grupos: los polielectrolitos o ayudantes de

coagulación y los coagulantes metálicos. Ambos grupos básicamente actúan como

polímeros además de la carga eléctrica que poseen. En los primeros, las cadenas

poliméricas están ya formadas cuando se los agrega al agua. En segundos, la

polimerización se inicia cuando se pone el coagulante en el agua, después de lo cual viene

la etapa de adsorción por los coloides presentes en la fase acuosa (Arboleda Valencia,

2000).

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

También se pueden emplear polímeros inorgánicos como los de hierro (III) y aluminio

como coagulantes, por ejemplo el policloruro de aluminio se recomienda para el

tratamiento de aguas blandas y turbias. De las sales, se pensó inicialmente que formaban

un hidróxido insoluble y con ello un ácido que reducía el pH de la solución; luego se

admitió que cuando se añaden al agua, intervienen casi instantáneamente en una serie de

reacciones de tipo hidróxido multivalentes. En estas sustancias se insertan dos o más

iones de aluminio o hierro en un proceso de polimerización.

La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en laboratorio,

mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta,

entre otros factores:

La naturaleza y calidad del agua bruta.

La variación de la calidad del agua bruta (diarias o estacionales, influencia de la

temperatura, etc.).

Criterios de calidad y destino del agua tratada.

Tratamiento previsto después de la coagulación.

Grado de pureza del reactivo.

El tratamiento de coagulación óptimo de un agua cruda tiene por objeto lograr un

equilibrio muy complejo en el que están implicadas muchas variables. Entre ellas merecen

destacarse:

pH.

Sales disueltas (composición química del agua).

Naturaleza de la turbiedad.

Tipo de coagulante.

Temperatura.

93




2.1.3.1 Cálculo de la cantidad de reactivo por dosificar

La cantidad de reactivo por dosificar se obtiene mediante el ensayo de Jarras, este ensayo

permite determinar la dosis de coagulantes que produzca la más rápida desestabilización

de las partículas coloidales en planta y hacer que se forme un floc más pesado y compacto

que quede fácilmente retenido en los sedimentadores y no se rompa al pasar por el

proceso de filtrado.

El aparato de pruebas de jarras consta básicamente de un agitador múltiple de velocidad

variable que puede crear turbulencia simultáneamente en seis vasos de precipitado. En

este se trata de reproducir las condiciones en las cuales se produce la floculación en una

planta de tratamiento (Fig. 30)

Fig. 30. Diagrama del equipo de jarras

Fuente: Universidad de Las Américas de Puebla. Prueba de jarras

La medición de turbiedad del agua después de floculada suele considerarse como los

parámetros más importante para caracterizar el proceso. La medición de pH antes y

después de la floculación tiene una importancia básica, por tanto debe disponerse

siempre de un sistema de medida.

El reactivo principal es la solución de sulfato de aluminio o cloruro sulfato férrico. Es

frecuente que al realizar una prueba de jarras los resultados obtenidos no permitan

establecer una dosificación óptima. Esto sucede cuando el agente floculante que se

ensaya no es el más adecuado para un determinado tipo de aguas.

Las aguas cargadas de limos y arcillan floculan muy bien con sulfato de aluminio o con

cloruro férrico, mientras que las aguas que contienen coloides de naturaleza orgánica

(aguas residuales de plantas de sacrificio animal, de beneficiaderos de café como por

ejemplo) se eliminan mejor utilizando floculadores orgánicos.

94




En el siguiente enlace se observa una práctica de jarras

ENSAYO DE JARRAS

2.1.3.2 Cálculo del volumen de reactivo.

El volumen de reactivo por dosificar en una planta de tratamiento dependerá de la

concentración o pureza del compuesto que se utilice.

Cuando se dosifica en seco este valor puede ser hallado así:

W 3. 6

DQ

P

Donde:

W = Kg/ hora

D = Dosis que se requiere aplicar en g/m 3 = mg/l

P = Pureza del reactivo que se usa en porcentaje

Q = Caudal de la planta en m 3 /s

Cuando se dosifica en húmedo, el volumen de solución”q” que se aplique por unidad de

tiempo, dependerá también de la concentración C de dicha solución, así:

q

DQ

PC

En donde q queda expresada en L/s y C en g/L.

El volumen del tanque de solución requerido dependerá del espacio disponible en la

planta, pero no es conveniente por razones prácticas, disponer de menos de dos tanques,

cada uno con un período de detención no menor de 12 horas, para no tener que preparar

soluciones más de una vez por día. Las concentraciones usadas son del 5 al 20% para el

sulfato de aluminio. Concentraciones mayores requieren dilución posterior con más agua

antes de su aplicación.

95




Ejemplo:

Se quieren construir tanque de solución para dosificar sulfato de aluminio, en una planta

de tratamiento de 50 l/s. Si la pureza del sulfato es de solo el 89%. ¿Cuál sería el volumen

de dichos tanques, suponiendo que se piense trabajar con una concentración del 20% (

200.000 mg/l), la máxima dosificación de coagulantes que se quiere aplicar es de 100

mg/l?

(100mg

/ L)*(50L

/ s)

q 0.028L

/ s Máxima

0.89*200.000mg

/ L

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

depósitos:

2419 L/d*1.05 = 2540 L/d = 2.54 m 3 .

Si las pruebas de jarras se realizan con el mismo compuesto que se utiliza en la planta, se

elimina el problema de la pureza del coagulante pues se puede dosificar igual cantidad al

peso en los ensayos que en los mezcladores

96




2.1.4 LECCIÓN 19: MEZCLA RÁPIDA

En plantas de tratamiento la mezcla rápida se puede efectuar en dos formas: Con

mezcladores flujo de pistón y con retromezcladores

En los primeros, la adición del coagulante se hace al pasar la masa de agua por un punto

determinado, en el cual se produce una fuerte turbulencia inducida por un aparato

hidráulico (orificio, vertedero, constricción, etc.), ver Fig. 31.

En los segundos, el agua es retenida en una cámara especial por un tiempo de detención

nominal V/Q de 10 a 120 segundos, en donde se aplican los coagulantes, mientras que el

agua se agita con una turbina o paleta rotatoria o cualquier otro sistema para crear

turbulencia (Fig. 32).

La diferencia entre ambos métodos es amplia. En los retromezcladores, el agua que entra

y acaba de ser dosificada con el coagulante, se mezcla con el agua previamente retenida

en la cámara y que hace algún tiempo recibió la dosis de coagulante. Esto produce una

interacción entre los compuestos químicos iniciales, que se forman en la masa de agua

que llega y los previamente formados en la masa del agua retenida en el tanque. Para este

proceso se necesita emplear un dispositivo que genere movimiento o agitación mecánica,

como bombas y rasquetas que requieren energía.

En los reactores de flujo pistón, el flujo a medida que va pasando va recibiendo su

inyección de coagulante, y la entremezcla entre las masas de agua es mínima. La

turbulencia se realiza hidráulicamente, esto es, utilizando la energía cinética que trae el

agua.

C

C

Resalto Hidraulico - Vertedor

Resalto Hidraulico - Parshall

Fig. 31. Mezcladores flujo pistón

97




Impulsor

de paletas

planas

Pantalla

Pantalla

Impulsor

Dosificación

C = coagulante

Flujo

Coagulantes

Fig. 32. Retromezcladores

Dos ejemplos comunes de mezcladores, utilizados con bastante frecuencia en la práctica,

(resalto hidráulico y turbina de eje vertical) caracterizan los diversos dispositivos de

mezcla rápida, que pueden ser clasificados entonces en hidráulicos y mecánicos.

Históricamente los primeros dispositivos para la mezcla rápida fueron hidráulicos. Con el

desarrollo de arte y técnica del tratamiento del agua, se pasó principalmente en los

países más industrializados y en nuestro medio, con el uso de elementos e instalaciones

importadas a darse preferencia a mezcladores mecánicos.

En los retromezcladores la turbulencia necesaria para la mezcla proviene de una fuente

externa, generalmente un motor eléctrico por lo que puede ser fácilmente controlado.

Por otro lado la potencia disipada en los mezcladores hidráulicos, tiene su origen en el

trabajo interno del fluido y de este modo es función de la forma geométrica del

98




mezclador y de las características del flujo, tornándose difícilmente controlables las

condiciones de mezcla por el operador.

En nuestro medio tradicionalmente se le ha dado preferencia a los dispositivos

hidráulicos de mezcla rápida, tales como la canaleta Parshall y vertederos.

2.1.4.1 Mezcladores hidráulicos

Los mezcladores hidráulicos pueden emplearse cuando se dispone de suficiente cabeza o

energía en el flujo de entrada. Los parámetros de diseño básicos en ambos casos son: el

tiempo de retención y el gradiente de velocidad, que en su forma general se expresan

mediante las siguientes ecuaciones

Tiempo de retención:

Donde

V = Volumen del tanque, m 3

Q = Caudal tratado, m 3 /s

V

t

Q

El gradiente de velocidad se expresa mediante la siguiente ecuación:

G

P

( )

V

Donde:

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

2

V = Volumen del tanque, m 3

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

Rushton:

Donde:

P γ*Q* H

= peso específico del agua, N/m 3

99




Q = Caudal de diseño

H = pérdida de energía en el resalto, m.

Por lo tanto definimos la Potencia (P) disipada en cualquier dispositivo de mezcla

hidráulica como el producto de la pérdida de carga ( H ) por el caudal (Q) convertida en

el peso de líquido por unidad de tiempo.

Así la potencia disipada por unidad de volumen es:

P / V ( * Q*

H

) / V

Siendo

Q 1

V T

Donde: T es el tiempo de mezcla.

Resulta:

P

V

H

T

Expresando el gradiente de velocidad en función de la pérdida de carga y el tiempo de

retención, tenemos que:

Donde:

G

( )

H

( )

T

: es el peso específico del agua en Kg/m 3

: es el coeficiente de viscosidad en Kg*s/m 2

H: es la pérdida de carga en metros

T: es el tiempo de mezcla en segundos

El factor

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

100




Tabla 20 Valores de Peso Específico y Viscosidad Dinámica

Temperatura

Peso

especifico

Viscosidad

dinámica

ºC ( g ) N/m3 ( m) Pa,s

0 9805 0.00180

1 9805 0.00174

2 9806 0.00168

3 9806 0.00163

4 9807 0.00158

5 9807 0.00153

6 9807 0.00148

7 9806 0.00144

8 9806 0.00139

9 9805 0.00135

10 9804 0.00132

11 9803 0.00128

12 9802 0.00125

13 9800 0.00121

14 9799 0.00118

15 9798 0.00115

16 9797 0.00112

17 9795 0.00109

18 9793 0.00107

19 9791 0.00104

20 9980 0.00101

21 9787 0.00099

22 9785 0.00097

23 9783 0.00094

24 9781 0.00092

25 9778 0.00090

26 9775 0.00088

27 9773 0.00086

28 9770 0.00084

29 9767 0.00082

30 9764 0.00080

31 9761 0.00079

32 9758 0.00077

33 9755 0.00075

34 9752 0.00073

35 9749 0.00071

36 9747 0.00070

101




37 9742 0.00068

38 9739 0.00066

39 9735 0.00064

40 9731 0.00062


A una temperatura alrededor de 15ºC el valor comúnmente tomado en proyectos, de

gradiente de velocidad puede ser calculado por la formula:

G 2920

H

T

Parámetros operacionales y dimensionamiento

Las unidades de mezcla rápida deben ser dimensionadas en función del tiempo de mezcla

y del gradiente de velocidad. Fijado el tiempo de mezcla, y conocido el caudal, el gradiente

de velocidad es determinado indirectamente por la potencia hidráulica o mecánica.

Criterios de diseño.

La Tabla 21, resume los criterios de diseño en cuanto a tiempo de retención y a gradiente

de velocidad de la AWWA y del RAS 2000.

Tabla 21. Criterios de diseño para mezcladores rápidos

Criterio

Tiempo de Gradiente de

Retención velocidad (s -1 )

Awwa 20 1000

30 900

40 790

>40 700

RAS 2000 ≤ 60 500 – 2000

Fuente: (Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico, 2010)

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

parámetros de diseño:

- La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s.

- La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s.

- Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el ancho

de la canaleta.

102




- Debe disponerse de un dispositivo aguas abajo con el fin de controlar la posición

del resalto hidráulico.

- Punto de aplicación del coagulante.

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

turbulencia.

103




2.1.4.2 Lección 20. Canaleta Parshall

La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de

servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma,

servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más

conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 33, se muestra

esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la

garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la

garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente. El aforo se

hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leída por

medio de piezómetros laterales[5].

La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce flujo supercrítico a través de

la garganta. La canaleta debe construirse de acuerdo con las dimensiones de la Tabla

24[6], para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo. La canaleta Parshall es auto

limpiante, tiene una pérdida de energía baja y opera con mucha exactitud en caudales

bastante variables, requiriendo sólo una lectura de lámina de agua (H a ), en flujo libre.

. A fin de que pueda utilizarse la canaleta con el propósito de mezclador rápido, debe

cumplir los siguientes requisitos:

- Que no trabaje ahogada, o sea que la relación Hb/Ha no exceda los siguientes valores:

Tabla 22. Requerimientos de sumergencia

Ancho de garganta

Máxima sumergencia (Hb/Ha)

7.5 (3”) a 22.9 (9”) 0.6

30.5 (1’) a 244 (8’) 0.7

305 (10’) a 1525 (50’) 0.8

Fuente: (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000)

- Que la relación Ha/W este entre 0,4 y 0,8. La razón para esta condición es la de que la

turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando

una capa, bajo el resalto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación, como

se ha podido constatar en experimentos de laboratorio. Al bajar Ha el espesor de esta

capa se minimiza. El concepto de gradiente de velocidad de Camp no tiene aplicación en

este caso.

- Que él numero de Froude esté comprendido entre estos dos rangos 1.7 a 2.5 o 4.5 a 9.0.

Debe evitarse números entre 2.5 y 4.5 que producen un resalto inestable el cual no

104




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

aplicación de coagulantes.

Fig. 33. Dimensiones de la canaleta Parshall

El análisis hidráulico teórico de la canaleta Parshall para saber si cumple con estas

condiciones, esta solo parcialmente resuelto. Las ecuaciones que definen el resalto

hidráulico en canales rectangulares, no se puede aplicar a este caso sin un cierto margen

de error debido a que el efecto de la constricción de la garganta se suma al de los cambios

de pendiente.

105




2.1.4.3 Diseño canaleta parshall

Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente

procedimiento. Acevedo Netto, partir de estudios empíricos determinaron diferentes

limites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta, La Tabla 23, nos

permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y

mínimos, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como

aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W

Tabla 23. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal

Ancho W Límites de caudal (l/s)

Q Mínimo Q Máximo

1’’ 0.28 5.67

2’’ 0.57 14.15

3’’ 0.85 28.31

6’’ 1.42 110.44

9’’ 2.58 252.00

12’’ 3.11 455.90

18’’ 4.24 696.50

24’’ 11.90 937.30

36’’ 17.27 1427.20

48’’ 36.81 1922.70

60’’ 45.31 2424.00

72’’ 73.62 2931.00

Fuente: (Romero Rojas, 2008)

La Tabla 24, nos presenta las dimensiones típicas de medidores Parshall, a partir del ancho

de garganta (W), calculado en la Tabla 23.

Tabla 24. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo)

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

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

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

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

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

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

1 1/2’ 45.7 144.9 142.0 76.2 102.6 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9

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

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

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

106




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

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

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

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

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

Fuente: (Azevedo & Alvarez, 1976)

Condiciones Hidráulicas de entrada

EL flujo Q se calcula con la fórmula:

Q K

n

ha

en donde K y n se determinan con la Tabla 25.

Para recordar:

1 pulgada (1”) = 2.54 cm

1 pie (1´) = 30.5 cm

Tabla 25. Valores de K y n

Unidades Métricas

W K n

3” 0.176 1.547

6” 0.381 1.580

9” 0.535 1.530

1’ 0.690 1.522

1 ½’ 1.054 1.538

2’ 1.426 1.550

3’ 2.182 1.566

4’ 2.935 1.578

5’ 3.728 1.587

6’ 4.515 1.595

7’ 5.306 1.601

8 6.101 1.606

2.1.4.4 Ejemplo de diseño: canaleta Parshall.

Diseñar una canaleta Parshall que sirva como aforador y para realizar la mezcla rápida,

para el municipio de San Pedro, el caudal previamente calculado es de 0.15m 3 /s, la

temperatura mínima de 16 °C.

107




Criterios de diseño

Como aforador debe trabajar con descarga libre, es decir, que cumpla los requerimientos

de la Tabla 22.

Como mezclador rápido debe cumplir con la anterior condición y adicionalmente el

gradiente de velocidad debe estar comprendido entre 1000 y 2000 s -1 .

La Fig. 34, presenta un esquema de dicha estructura.

Wa

Fig. 34. Esquema de la Canaleta Parshall

La metodología seguida se basa en el cálculo de la energía en las secciones mostradas en

la Fig. 34 y en la suposición de que las pérdidas por fricción dentro de la canaleta son

despreciables.

PASO 1: Determinación del ancho de garganta

Para un Q = 0.15m 3 /s (150 L/s) se tiene un ancho de garganta W = 9’’ = 0.229 m < 0.3 m,

OK CUMPLE. (Ver Tabla 23).

108




Paso 2. Dimensiones

De acuerdo a la Tabla 24 y Tabla 25, tenemos los siguientes valores:

Exponente: n 1.53 -

Coeficiente: k 0.54 -

Long. paredes sección convergente A 0.880 m

Longitud sección convergente B 0.864 m

Ancho de la salida C 0.380 m

Ancho entrada sección convergente D 0.575 m

Profundidad total E 0.610 m

Longitud de la garganta F 0.610 m

Longitud de la sección divergente G' 0.457 m

Long. Paredes sección divergente K' 0.076 m

Dif. de elevac entre salida y cresta N 0.229 m

Paso 3. Determinación de la lámina de agua

h

a

Q

K

1

n

1

1.

0.15

53

h a

0. 44m

0.54

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

W a

3

2

D

W

W

D = 0.575 m para W = 9’’ (Tabla 6.3)

2

W a

229

3

W a = 0.46 m

0.575m

0.229m

0. m

109




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

Cálculo de v a :

v

a

Q

W . h

a

a

3

v 0.15m

/ s

a 0.46m*0.

44 m

v a = 0.74 m/s

Paso 6. Cálculo de la energía total disponible

Calculo de la energía en la sección 1 - 1

Aplicando Bernoulli:

E

1

2

va

2 g

h

a

N

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

2 2 2

(0.74) m / s

E1

0.44m

0. 229m

2

2*9.81m

/ s

E 1 = 0.69 m

Paso 7. Cálculo de la velocidad antes del resalto

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

Aplicando Bernoulli:

E

2

2

2

v

2g

h

2

v

2

Q

W.h

2

110

3

0.10m

/ s

v2

0.23m

* h




2

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

Remplazando:

3

0.15m

/ s 1

0.69m

*

h

2

0.23m

* h

2 2*9.81m

/ s

h 2 3 – 0.61h 2 2 + 0.0217 = 0

2

2

Considere que el valor de h 2 se obtiene de resolver una ecuación cúbica que deriva en 3

raíces; la raíz que se debe tomar como valor de h 2 es la raíz media.

Resolviendo para h 2 :

h 2 = 0.21 m

v

v

2

2

Q

W.h

2

3

0.15m

/ s

0.23m*0.21m

v 2 = 3.1 m/s

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

Cálculo de h b .

h b = h 2 – N

h b = 0.21m – 0.229m

h b = -0.02m

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

S

h

h

b

a

111




- 0.02

S = -0.043

0.44

S = -0.043 < 0.60 OK CUMPLE

El criterio principal para el diseño de la canaleta Parshall radica en que se cumpla con los

parámetros de sumergencia (h b /h a ), en este caso la canaleta trabaja con descarga libre,

por lo tanto sirve como aforador.

Paso 10. Cálculo número de Froude.

Sección 3-3

Aplicando la ecuación del resalto hidráulico:

h 1 3

( 1

8F

2

2

1)

h 2

2

F

F

2

2

2

2

v2

h2.

g

2

v2

h2.

g

F

2 2 2

3.1 m / s

0.21m

*9.81m

/ s

2

2

2.16

F 2 = 2.16 (Resalto estable) OK CUMPLE

El resalto es estable ya que el Froude oscila entre 1,7 – 2.5 o 4.5 – 9.0. En caso de que no

se encuentre en este intervalo, se recomienda se puede colocar abajo una persiana que

manualmente se pueda graduar por un operario, hasta lograr la estabilidad requerida,

aunque esta práctica no se recomienda porque se puede presentar rompimiento del

microflóculo formado previamente en el resalto de la canaleta.

112




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

h2

2

h

3

( 1

8F2

1)

2

0.21

2

h

3

( 1

8*(2.16) 1)

2

h 3 = 0.54 m

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

Sección 4-4

h 4 = h 3 – (N-K) [6.20]

Por formarse el resalto muy cerca de la salida de la garganta, se puede considerar que en

la sección 3 la cabeza de posición es cero.

h 4 = 0.54m – (0.229m – 0.076m)

h 4 = 0.39m

Paso 13. Cálculo del tiempo medio de mezcla

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

t

d

G'

v

m

Tabla 24

El valor de G” corresponde al valor de la

Cálculo de la velocidad media

v m

v 3 v

4

2

113




v

Q

W.

h

3

3

v 3 = 1.22 m/s

v

Q

C.

h

4

4

v 4 = 1.01 m/s

3

0.15m

/ s

0.228m*0.54m

3

0.15m

/ s

0.38m*0.39m

v m

1.22m/

s 1.01m

/ s

2

v m = 1.12 m/s

t

d

G'

v

m

Según la Tabla 24, G = 45.7 cm

0.46m

t d

0. 41s

1.12m/

s

Paso 14. Cálculo del gradiente de velocidad, G.

El gradiente se calcula mediante la fórmula

G

. h

.

t d

Cálculo de la pérdida de carga h

Aplicando el principio de energía de Bernoulli

E 1 = E 4 + h

114

Remplazando




v

2

a

2g

2

v4

ha

N h4

( N K)

h

2g

2

a

v

h

2g

h

a

2

v4

N

2g

h

4

( N K)

2

2 2

0.74

1.01 m/

s

h 0.44m

0.23

0.39m

(0.23 0.076)

m

2*9.81

2*9.81

h = 0.102 m

G

. h

.

t d

G

3

9797N

/ m *0.102m

1

1475

s

2

0.00112N

/ m

*0.41s

Según la recomendación del rango de gradientes de la RAS Tabla 21, debe estar en el

intervalo: 500 ≤ G ≤ 2000 s -1 , por lo tanto G = 1475 s -1 cumple OK.

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

canal X

X = h 5 - h 4

h 5 = 0.50 m (se fija con la estructura aguas abajo)

X = 0.50m – 0.39 m

X = 0.11 m

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

X = 0.11 m * 1.10

X = 0.12 m

Paso 13. Longitud de desarrollo del resalto, L.

L = 6 (h 3 – h 2 ) [6.22]

115




L = 6 (0.54 m – 0.21 m)

L = 1.8 m

Paso 16. Esquema de dimensionamiento

La Fig. 35, muestra el esquema con el dimensionamiento definitivo de la canaleta Parshall,

incluyendo el perfil hidráulico.

D = 57.5 W = 22.9 cm

A = 88 cm 6

1

C = 38

cm

5

1

45º

116




Coagulante

B= 0.864 F = 0.61 G = 0.46

ha=

0.44

h2 = 0.21

h4 = 0.39

h3= 0.54

Nmax

1 1 1

4 2.67 6

N= 0.229

Condición 2

Dimensiones en metros

Inicio

Floculación

Fig. 35. Dimensiones de la Canaleta Parshall.

117




2.2 CAPITULO 5: FLOTACIÓN.

2.2.1 LECCIÓN 21: CONCEPTOS TEÓRICOS

La flotación es un proceso de clarificación primaria particularmente efectivo para tratar

aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y con gran contenido de algas.

Consiste en la separación de las partículas naturales presentes en el agua cruda,

coaguladas o floculadas, mediante el uso de sales de aluminio o de hierro y de polímeros.

En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y

la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin embargo, contrariamente a lo que

ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica

a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación

provocada) inferior a la del liquido que la contiene.

En la flotación provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas partículas sólidas

o líquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente, aire) y formar conjuntos partícula–

gas menos densos que el líquido que constituye la fase dispersa.

La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arquímedes, fuerza de resistencia)

conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos partícula–gas que se

concentran en la superficie libre del líquido.

Para que sea de factible la flotación partículas sólidas o líquidas más densas que el líquido,

es preciso que la adherencia de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la

tendencia a establecer un contacto entre las partículas y el líquido. Este contacto entre un

sólido y un líquido se determina mediante la medida del ángulo formado por la superficie

del sólido y la burbuja de gas Fig. 36.

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

118




Si θ = 0, el contacto entre el sólido y el líquido se realiza de forma perfecta; es imposible la

adherencia sólido-gas. Si θ = 180°, el contacto entre el sólido y el líquido es nulo; es

óptimo el contacto sólidogas. Se trata de un caso límite que nunca se da en la práctica,

puesto que ningún líquido da un ángulo θ mayor de 110° (caso del mercurio).

Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partículas pueden resultar de las

siguientes acciones:

a) Colisión entre la bola y la partícula, debido a turbulencia o a atracción entre ambas.

b) Aprisionamiento de las bolas contra los flóculos o contacto entre los flóculos que

están sedimentando y las bolas de aire en ascensión.

c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flóculos. Cuando se tienen partículas

hidrofílicas, los mecanismos b y c parecen ser los responsables de la eficiencia de la

flotación, en tanto que el mecanismo a parece predominar en la obtención de una

unión más estable entre las bolas de aire y las partículas, las cuales requieren un

cierto grado de hidrofobia.

119




2.2.2 LECCIÓN 22: SISTEMAS DE FLOTACIÓN

Cualquier sistema de flotación debe presentar las siguientes características:

a) Generación de bolas de tamaño apropiado en relación con las partículas que se

desea remover.

b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partículas en suspensión.

c) Separación adecuada del material flotante.

La flotación puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a través del

proceso electrolítico y por aire disuelto, cuyas características principales son presentadas

a continuación.

Flotación por aire disperso

En estos sistemas usualmente se emplean rotores que promueven, simultáneamente,

dispersión, aireación y agitación de la suspensión, con producción de bolas de aire que

tienen cerca de 50 mm de diámetro. Es posible, también, el uso de un medio poroso para

difundir el aire, aunque las bolas resultan con un diámetro mayor (~50 μm). La flotación

por aire disperso comúnmente es utilizada en la industria minera.

Flotación electrolítica

La oxidación anódica del ion cloreto de una suspensión con pH alrededor de 7,5 con

producción de ion hipoclorito y oxígeno ha sido investigada como unidad de generación

de las bolas en la flotación de suspensiones en las que fueron usados cloruro férrico como

coagulante primario y polímero orgánico como auxiliar de floculación. Este sistema

requiere investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad del agua

por tratar.

2.2.2.1 Flotación por aire disuelto

La flotación por aire disuelto ha sido uno de los procesos más estudiados en el

tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, también ha sido muy investigado en el

tratamiento de aguas de abastecimiento.

Hay tres tipos básicos de sistemas de flotación:

a. con presurización parcial del afluente (figura 34a);

120




b. con presurización total del afluente (figura 34b);

c. con presurización de la recirculación (figura 34c).

121




2.2.3 LECCIÓN 23. SISTEMA FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (Dissolved Air Flotation)

El mecanismo del proceso de la DAF, (Flotación Aire Disuelto) genera burbujas muy

pequeñas, con un promedio de diámetro de 20 micrones; esto, en la parte media de la

suspensión. Estas burbujas se adhieren tanto a sólidos finos, materia en suspensión,

bacterias, precipitados de grasas, aceites, jabones, metales pesados, colorantes,

proteínas, elementos orgánicos, etc., levantándolas y haciéndolas flotar en la superficie,

permitiendo la clarificación en el fondo del tanque[7].

Fig. 37. Esquema de filtración por aire disuelto

La proporción de separación y flotación usando la tecnología DAF está dada por acción de

elevación de las burbujas microscópicas, que es de aproximadamente 30 cm. por minuto

para las burbujas de 20 micrones, en contraste con las de velocidad de asentamiento en

una planta convencional y que es menor a 2.5 cm/min. Esto debido a la pequeña

diferencia entre la gravedad específica de los sólidos suspendidos finos y el agua. De

acuerdo a estas diferencias de velocidades, tenemos que la flotación es aproximadamente

12 veces más rápida que los procesos clásicos.

Esta tecnología tiene ventajas únicas en su género cuando es utilizado como:

a) Tratamiento Único.

b) Tratamiento Primario antes de un tratamiento biológico existente futuro.

c) Tratamiento Secundario después de un tratamiento biológico existente o futuro.

d) Clarificación Secundaria y Filtración Terciaria en plantas compactas de Agua

Potable.

122




La Tecnología Avanzada de Flotación, permite un método de clarificación de efluentes tan

eficiente como económica.

El mecanismo del proceso de la DAF, (Flotación Aire Disuelto) genera burbujas muy

pequeñas, con un promedio de diámetro de 20 micrones; esto, en la parte media de la

suspensión. Estas burbujas se adhieren tanto a sólidos finos, materia en suspensión,

bacterias, precipitados de grasas, aceites, jabones, metales pesados, colorantes,

proteínas, elementos orgánicos, etc., levantándolas y haciéndolas flotar en la superficie,

permitiendo la clarificación en el fondo del tanque.

La proporción de separación y flotación usando la tecnología DAF está dada por acción de

elevación de las burbujas microscópicas, que es de aproximadamente 30 cm. por minuto

para las burbujas de 20 micrones, en contraste con las de velocidad de asentamiento en

un clarificador por sedimentación, y que es menor a 2.5 cm/min. Esto debido a la pequeña

diferencia entre la gravedad específica de los sólidos suspendidos finos y el agua. De

acuerdo a estas diferencias de velocidades, tenemos que la flotación es aproximadamente

12 veces más rápida que la sedimentación.

Esta Tecnología de Flotación aprovecha al máximo los siguientes principios:

1.- Se usa un tanque de poca profundidad, exactamente de 40.64 cm a 45.78 cm. Esto

hace que las distancias por subir de las burbujas de lodos sea corta.

2.- La alimentación de entrada llega al tanque por medio de un manifold radial en

rotación. El flujo en proporción controlada que forma la alimentación, se sincroniza

con la velocidad de rotación del manifold, de tal manera que la mezcla aire-agua se

deposite dentro del tanque, como si se estuviera extendiendo una alfombra de

agua, es decir, sin velocidad (Principio de Velocidad Cero).La condición estática

(libre de corrientes cruzadas o gradientes de velocidad), permite una flotación

eficiente de los sólidos floculados, resultando la clarificación del agua en la parte

baja del tanque. El agua clarificada fluye al depósito central a través de tubos de

extracción perforados, los cuales están sujetos al anillo de reunión del movimiento.

Los sólidos pesados que se sedimentan en el fondo, son llevados a una tolva

localizada en el mismo fondo, por medio de una hoja de limpieza.

3.- La capa de lodo flotado se recoge de la superficie por medio de una cuchara en espiral,

la cual también gira alrededor del tanque permitiendo que la capa de lodo se

mantenga en un lugar (Acción mecánica que estabiliza los lodos para ser

removidos). El tiempo de retención del agua en estos tipos de clarificadores de

Flotación Avanzada, es nominalmente de tres minutos, resultando con esto un

equipo de poca profundidad, de poco peso, idóneo para ser instalado en diversas

localizaciones; alrededor de las instalaciones, dentro o fuera, así como arriba ó

abajo.

123




Documentos y enlaces de apoyo:

http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01567e14.pdf

Entrar en el siguiente enlace

http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_03.pdf

http://www.daftechindia.com/spanish/dafclarifiers.html

124




2.2.4 LECCIÓN 24. AIREADORES POR ASPERSIÓN, DE EFLUENTES O SURTIDORES

En purificación de aguas se diseñan aireadores del tipo de contacto líquido – gas, es decir,

sistemas den los cuales se expone el agua al aire en pequeñas gotas (aireadores por

aspersión y de bandejas) o en láminas delgadas (aireadores de cascadas). A continuación

se resumen los principales criterios y ecuaciones para su diseño[8].

2.2.4.1 Aireadores por aspersión, de efluentes o surtidores

La velocidad inicial de una gota que sale de una boquilla esta dada por:

Donde.

Vo = Velocidad a la salida de la boquilla, m/s

Cv = Coeficiente de velocidad

g = Aceleración de la gravedad, m/s 2

H = Cabeza de energía total en la boquilla, m

El caudal descargado por la boquilla esta dado por:

Donde:

Qo = Caudal descargado por una boquilla, m 3 /s

Cd = Coeficiente de descarga

Ao = Área de la abertura en la boquilla, m 2

Tiempo de exposición teórico

Se obtiene mediante la fórmula

125




Las distancias verticales y horizontales alcanzadas por los chorros de obtiene de las

ecuaciones de tiro parabólico:

Y

O también

Los principales criterios de diseño se resumen en la Tabla 26

Tabla 26. Criterios de diseño de aireadores por aspersión

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008)

En líneas generales el diseño consiste en:

Establecer el tiempo de contacto.

Determinar la carga hidráulica necesaria para el tiempo de contacto dado en la

boquilla más desfavorable.

Establecer la velocidad del chorro a la salida de las boquillas

Determinar el caudal descargado por cada boquilla y el número de boquillas

requerido.

Determinar la altura y la distancia horizontal que alcanzarán los chorros.

Establecer las dimensiones del tanque receptor, de acuerdo con la distribución

escogida para las boquillas.

126




2.2.4.2 Aireadores de cascadas

Son aireadores en los que una altura disponible se subdivide en varias caídas para

incrementar la cantidad de oxígeno al agua que atraviese esta estructura o por le

contrario disminuir el contenido de los gases no deseables. La Fig. 38, nos presenta el

diagrama de esta estructura.

Fig. 38. Aireadores de cascada

Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005)

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

así:

127




Donde:

t

h

g

n

= tiempo de exposición o contacto, s

= altura de cada escalón, m

= aceleración de la gravedad, m/s2

= número de escalones

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

En donde:

Q = caudal, m 3 /d

CH = carga hidráulica, m 3 /m 2 d

A = área superficial, m 2

En la tabla se resumen los principales criterios de diseño

Tabla 27. Criterios de diseño para aireadores de cascada

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008)

Cuando se diseñan escalones concéntricos, el área superficial corresponde al área de la

plataforma mayor. Cuando se trata de escalones longitudinales, el área superficial es la

suma de las áreas de las “huellas”

Para el diseño se requiere:

Establecer el tiempo de contacto

Determinar la altura de cada escalón y el número de plataformas o escalones

128




Establecer, a partir de una carga hidráulica escogida, el área superficial y las

dimensiones de las plataformas o escalones.

Determinar la altura total del aireador.

La ampliación del tema se encuentra en el siguiente enlace.

http://es.scribd.com/doc/63456172/76/Transferencia-de-gases-aireacion

2.2.4.3 Aireadores de bandejas

Corresponden a un sistema de bandejas con perforaciones en su parte inferior, colocadas

en forma sucesiva con intervalos de 30 a 75 cm. El ingreso del agua es por la parte

superior y debe distribuirse a través de una tubería perforada, debiendo caer a la primera

bandeja y asi sucesivamente, ver Fig. 39. Los orificios practicados en cada bandeja serán

circulares con diámetros de 5 – 12 mm con una separación de 2.5 cm entre ellos.

Fig. 39. Aireador de bandejas

Fuente: (Ministerio de servicios y obras publicas, 2005)

Como en los aireadores de cascadas, el tiempo de contacto de pende de la altura de caída,

de modo que se utiliza la misma ecuación, teniendo en cuenta que ahora n corresponde al

número de bandejas y h a la separación libre entre ellas. Igualmente, el área superficial se

obtiene a partir de la ecuación del área para aireadores de cascada, y corresponde a la

129




suma de las áreas de las bandejas. Para el cálculo de las perforaciones se utiliza la

ecuación de descarga a través de un orificio.

Qo = caudal descargado por un orificio, m 3 /s

Cd = Coeficiente de descarga

Ao = Área del orificio, m 2

h´ = altura de la lámina de agua sobre la bandeja (alrededor de 0.15m)

Algunos criterios de diseño se presentan en la Tabla 28

Tabla 28. Criterios de diseño para aireadores de bandejas.

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

130




2.2.5 LECCIÓN 25. EJERCICIOS DE DISEÑO

2.2.5.1 Aireador de cascada

Diseñar un aireador de cascadas para una carga hidráulica de 600 m 3 /m 2 d, para la

población de San Pedro (Q=0.15m 3 /s), el tiempo de retención de 1 segundo, y se

emplearan plataformas circulares concéntricas.

Solución

a) Determino el número de escalones para una altura de 0.3m por escalón:

b) El área de la plataforma mayor debe ser:

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

Con lo cual tenemos que L=6.57m

131




2.2.5.2 Aireador de bandeja

Diseñar un aireador de bandejas para los mismos parámetros (caudal, tiempo de contacto

y carga hidráulica) del ejercicio anterior, con perforaciones de ¼” (Cd=0.85)

Solución

a) Determinar el número de bandejas con una separación de 0.45m.

b) Cálculo del área de las bandejas

132




c) Área de cada bandeja

d) Dimensionamiento de cada bandeja, escogiendo bandejas cuadradas tenemos que

la longitud será:

Con perforaciones de ¼” = 0.635 cm,

El área de cada orificio será A orificio =π*d 2 /4

A orificio = π*d 2 /4= π*0.635cm 2 /4=0.317 cm 2 = 3.167* 10 -5 m 2

e) Cálculo del caudal sobre cada bandeja, manteniendo una lámina de agua de 15 cm

sobre las bandejas.

f) Determinación del número de perforaciones

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

1225 orificios.

133

0,45

1,6




Fig. 40. Diseño de bandejas de aireación

0,00635 2,35

0,00635

134




2.3 CAPITULO 6. DESINFECCIÓN

2.3.1 LECCIÓN 26 GENERALIDADES

Distintos grupos que han habitado este planeta. En ocasiones, pestes y plagas, muchas

veces aleatorias, coyunturales y únicas, han diezmado a países o regiones enteras. Sin

embargo, hay enfermedades que parecen ser tan antiguas como el ser humano y su

vigencia y protagonismo son parte de la vida cotidiana. Se trata de las enfermedades

diarreicas.

El “Reporte de Salud Mundial” de la Organización Mundial de la Salud de fin de siglo XX,

ubica a las diarreas como la séptima causa de muerte en el mundo después de las

enfermedades coronarias, los accidentes cerebro vasculares, las infecciones respiratorias

agudas, el HIV/SIDA, las obstrucciones crónicas pulmonares y las condiciones adversas

perinatales. Si bien esa colocación evidencia la importancia de las mismas, el dato de

séptima causa de mortalidad queda empalidecido cuando la misma Organización Mundial

de la Salud reporta que las diarreas son, de lejos, la primera causa de morbilidad en el ser

humano, con cuatro mil millones de casos anuales. Se estima que en todo momento, casi

la mitad de la población que habita el mundo en desarrollo está soportando un episodio

de diarrea. Infelizmente, esa prolongada presencia en la vida de los seres humanos ha

hecho que se pierda de vista la magnitud y el peso que la misma representa sobre la salud

y la calidad de vida de los individuos y sobre la economía de la humanidad en su conjunto.

Las diarreas tienen como causas, una deficiente nutrición, la inapropiada disposición de

excretas, inadecuadas prácticas higiénicas, y una mala calidad del agua de bebida. Las

primeras de esas causas podrían englobarse dentro del contexto de pobreza y de pautas

culturales inapropiadas que aquejan a tantos, mientras que el último punto, el de la mala

calidad del agua de consumo aparece como una responsabilidad de la ingeniería sanitaria

y de otras ciencias asociadas (de Vargas & Barrenechea Martel, 2004).

En este sentido, la desinfección representa la última etapa del tratamiento. Si se habla de

“barreras múltiples”, la desinfección es el último resguardo que tiene la salud pública en la

producción y distribución del agua potable. En los países desarrollados, esta etapa del

tratamiento siempre se ha tenido como eje de la calidad microbiológica del agua que se

entrega y los resultados han sido claros. Las tasas de esos países son inferiores en varios

órdenes de magnitud a las de los países en vías de desarrollo. Como ejemplo pueden

citarse los valores de mortalidad por enfermedades diarreicas en Europa (3 por mil) y de

África (12,4 por ciento). (Galal Gorchev, 1996), reconoce dos factores y dos comentarios

sobre el proceso en países en vías en desarrollo.

a) El primero es que en los países desarrollados es obvio que la desinfección está

incorporada como un proceso ineludible, fijo y establecido. Es una rutina normal

135




que se ejerce con todo el conocimiento y convicción de lo que representa. Como

tal, en esos países, la ingeniería sanitaria, la química, la bioquímica y la toxicología

evalúan, desde el punto de vista técnico y en profundidad, las mejores

capacidades, las mayores eficiencias y los menores costos. Y desde el punto vista

sanitario y toxicológico ahondan las características y las relaciones que tienen los

desinfectantes y los productos de la desinfección con la salud.

b) El segundo comentario es que en los países en desarrollo ocurre lo contrario. Los

tratamientos de potabilización, sobretodo en áreas rurales, son imprecisos y la

mala operación y el escaso mantenimiento están extendidos. Es así que los

procesos de desinfección son pobres y no se respeta el papel que cumplen como

protección de la salud pública. En 1995, la Organización Panamericana de la Salud

realizó una encuesta en América Latina y comprobó que solo 41% de las aguas

entregadas a la población por medio de sistemas de producción y distribución

recibían una adecuada desinfección.

Sin embargo, en las áreas rurales de los países en desarrollo, donde una pequeña

población difícilmente tiene personal técnico idóneo, con posible aislamiento geográfico

que deja fuera de contexto a respaldos técnicos imprescindibles, con conocimientos que

solo permitirán una administración confusa y en general con escasos recursos; lo perfecto

es, como se ha mencionado: utópico. Un paso tímido y no completo, pero de todos modos

un “mejoramiento de la situación” será la utilización de prácticas de operación adecuadas

al nivel cultural del lugar y el uso de tecnología verdaderamente apropiada. Frente a un

equipo controlado por circuitos impresos, con leds de colores y que trabaja con errores de

dosificación a la derecha de la coma; una caja de madera con una válvula de inodoro; una

botella con un vaso de plástico dentro, un par de electrodos que generan hipoclorito a

partir de sal de mesa; una botella colocada al sol; o un simple filtro de arena, son técnicas

que pueden parecer ingenuas o pueden ser percibidas como excesivamente simples. Pero

en rigor, ellas y otras que se presentarán en las páginas siguientes, son conspicuos

representantes del gran caldero de la tecnología apropiada, que como se ha expresado, es

un paso en la dirección correcta. Más aun, no debe confundirse su humildad y poco brillo

con inseguridad o ineptitud.

Todos los artilugios que se presentan en este manual tienen denominadores comunes:

han sido probados, tienen una larga historia de funcionamiento en diversidad de lugares y

situaciones y son lo suficientemente precisos como para llevar a la desinfección (y a la

calidad del agua) a un nivel de excelencia aceptable.

136




CONSIDERACIONES SOBRE LA DESINFECCIÓN

Tal como se ha expresado, la desinfección es un proceso clave en cualquier sistema de

tratamiento de agua. Por ello, en la producción de agua segura para consumo humano es

importante destacar consideraciones especiales antes de su implementación. En las líneas

que siguen se habrán de detallar algunas.

Al diseñar un sistema de tratamiento de agua, en especial en el área rural, debe tomarse a

la desinfección no como un elemento más, sino como un componente vital del sistema. En

muchos casos, quien diseña un sistema de provisión de agua en una pequeña comunidad

no solo toma a la ligera la desinfección, sino que hasta prioriza la producción de agua

(cantidad), ante la seguridad de la misma (calidad).

Ya se ha comentado que ninguna opción válida dentro de la tecnología apropiada es

desechable ni se puede desestimar. Pero sí es importante que en la selección de esa

tecnología se tomen en cuenta condicionantes tales como los recursos disponibles y la

posibilidad de soporte técnico en los aspectos sociales, económicos y culturales de la

comunidad.

Cuando se está diseñando un sistema de desinfección debe entenderse que el mismo no

puede estar disociado ni ser incongruente con la planta o sistema donde estará incluido.

Por un lado, una planta de tratamiento de microfiltración con sistemas automatizados,

energía eléctrica y personal capacitado para la operación y cuidado de la misma, podrá

tener una bomba de diafragma o pistón manejada por un microprocesador. No sería en

este caso “congruente” tener un sistema hecho con un flotador y un tubo de plástico

agujereado dentro de un tanque de asbesto cemento. Por otro lado, si se trata de un

sistema muy simple y rural, en donde ni siquiera se cuenta con energía eléctrica, no

tendría sentido pensar en incorporar un generador de dióxido de cloro como sistema de

desinfección.

Muchas veces, la falla de estos sistemas se debe a la dependencia de la “importación” de

productos químicos de otros países o de otras localidades. Esto puede acarrear demoras y

discontinuidad, que frecuentemente pasan de ser temporales a permanentes.

En la etapa de selección de la técnica y el sistema de desinfección se deben tener en

cuenta sus características y contrastarlas con las características de la planta, el lugar y la

comunidad. Es una buena receta tratar de complementar las mejores condiciones de la

técnica y del sistema de desinfección con las de la fuente, lugar, sistema, población y sus

características culturales. Esto es importante, pues la realidad indica que no hay lugar,

sistema ni comunidad que sean perfectos.

137




2.3.2 LECCIÓN 27. TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN

En términos prácticos, desinfectar el agua significa eliminar de ella los microorganismos

existentes, capaces de producir enfermedades. En la desinfección se usa un agente físico o

químico para destruir los microorganismos patógenos, que pueden transmitir

enfermedades utilizando el agua como vehículo pasivo.

La desinfección es un proceso selectivo: no destruye todos los organismos presentes en el

agua y no siempre elimina todos los organismos patógenos. Por eso requiere procesos

previos que los eliminen mediante la coagulación, sedimentación y filtración.

Para diferenciar claramente los conceptos referidos a la destrucción de organismos

patógenos del agua, es necesario distinguir los siguientes términos:

a) Agente esterilizante: es aquel capaz de destruir completamente todos los

organismos (patógenos o no).

b) Desinfectante: es el agente que inactiva los gérmenes patógenos.

c) Bactericida: agente capaz de inactivar las bacterias.

d) Cisticida: agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes.

2.3.2.1 Utilidad de la desinfección

El uso de la desinfección como parte de un proceso de tratamiento del agua puede

obedecer a los siguientes objetivos:

a) Reducir el contenido inicial de contaminantes microbiológicos en el agua cruda

(predesinfección). Este proceso se utiliza solo en casos especiales.

b) Desinfectar el agua luego de la filtración. Constituye el uso más importante.

c) Desinfección simple de un agua libre de contaminantes fisicoquímicos que no

requiere otro tratamiento.

Para que la desinfección sea efectiva, las aguas sujetas al tratamiento deben encontrarse

libres de partículas coloidales causantes de turbiedad y color, las cuales pueden

convertirse en obstáculos para la acción del agente desinfectante. La desinfección alcanza

una eficiencia máxima cuando el agua tiene una turbiedad cercana a la unidad. Por ello es

indispensable desplegar los esfuerzos necesarios para que los procesos de tratamiento

previos sean efectivos y eficientes.

138




2.3.2.2 Factores que afectan la desinfección

Los factores que influyen en la desinfección del agua son los siguientes:

a) Los microorganismos presentes y su comportamiento

El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia definitiva en el

proceso de desinfección. La reacción de los microorganismos frente a un

desinfectante parece estar determinada por la resistencia de sus membranas

celulares a la penetración del mismo y por la relativa afinidad química con las

sustancias vitales del microorganismo.

Las bacterias como las del grupo coliforme y las salmonelas son las menos

resistentes a la desinfección, pues su respiración se efectúa en la superficie de la

célula.

El número de microorganismos presentes en el agua no afecta el proceso de

desinfección. Ello quiere decir que para matar una gran cantidad de

microorganismos se requiere la misma concentración y tiempo de contacto del

desinfectante que para eliminar una cantidad pequeña, siempre y cuando la

temperatura y pH del agua sean los mismos.

Cuando las bacterias forman aglomerados celulares, las que se encuentran

protegidas en el interior pueden sobrevivir luego del proceso de dosificación del

desinfectante. Para evitar que esto ocurra, es necesario favorecer la distribución

uniforme de los microorganismos en el agua, lo cual se puede lograr mediante la

agitación.

b) La naturaleza y concentración del agente desinfectante

Desinfectantes como el cloro y derivados pueden formar en el agua una serie de

especies químicas cloradas, de diferente eficiencia desinfectante.

Por otro lado, la concentración del desinfectante determinará el tiempo de

contacto necesario para destruir todos los microorganismos presentes en el agua.

c) La temperatura del agua

Por lo general, la temperatura favorece el proceso de desinfección. Sin embargo,

es necesario tener en cuenta que la solubilidad de los agentes desinfectantes en

estado gaseoso es inversamente proporcional a la temperatura.

Por tanto, en condiciones extremas de temperatura —por ejemplo, en lugares

donde el agua llega a menos de 5 ºC o en otros donde puede tener 35 ºC—, la

cantidad del desinfectante disuelto en el agua variará considerablemente; será

menor a mayor temperatura y viceversa.

139




d) La naturaleza y calidad del agua

La materia en suspensión puede proteger a los microorganismos existentes en el

agua e interferir en la desinfección.

La materia orgánica puede reaccionar con los desinfectantes químicos y cambiar su

estructura. En ciertos casos, si en el agua persisten compuestos orgánicos que no

han sido removidos en los procesos previos a la desinfección, se pueden generar

derivados tóxicos o compuestos que confieren sabor u olor al agua, muchos de

ellos desagradables, lo que cambiaría su calidad organoléptica.

e) El pH

El pH del agua es de suma importancia para la vida de los microorganismos

acuáticos, ya que valores muy altos o muy bajos ofrecen a los microorganismos un

medio adverso, con excepción de los quistes de amebas, que soportan pH tan altos

como 13 ó tan bajos como 1.

Por otra parte, la acción de los desinfectantes es fuertemente influenciada por el

pH del agua. De acuerdo con su naturaleza, cada desinfectante tiene un rango de

pH de mayor efectividad. Sin embargo, la práctica demuestra que cuanto más

alcalina es el agua requiere mayor dosis de desinfectante para una misma

temperatura y tiempo de contacto.

f) El tiempo de contacto

Cuanto mayor es el tiempo de contacto, mayor será la posibilidad de destrucción

de los microorganismos para una cierta dosis de cloro aplicado.

140




2.3.3 LECCIÓN 28. TIPOS DE DESINFECCIÓN.

La desinfección se puede dividir en natural y artificial. La primera se refiere a la muerte

progresiva de las bacterias, producida por agentes naturales tales como la luz solar, la

sedimentación, la filtración en las capas arenosas del suelo, o la estabilización de la

materia orgánica que disminuye la reserva de alimento para los microorganismos.

La desinfección artificial puede realizarse mediante agentes físicos o químicos. Los agentes

físicos más importantes son: El calor y los rayos ultravioleta. Los agentes químicos más

importantes son: los halógenos (cloro, bromo y yodo), la plata ionizada y el ozono.

2.3.3.1 Agentes físicos

La sedimentación natural es un proceso por el cual se realiza la decantación de partículas

en suspensión por la acción de la gravedad. La decantación natural del material fino,

como limo y arcillas, ayuda a la remoción de las bacterias; sedimentan más rápidamente

los esporulados y los huevos de helmintos. La eficiencia de remoción de estos

microorganismos dependerá del tiempo de retención del agua en el reservorio o

sedimentador.

Debido a que la sedimentación es un proceso en el cual la carga de microorganismos

patógenos del agua puede concentrarse en los lodos, es necesario tener en cuenta que los

presedimentadores, usados para abastecimiento de agua cruda, requieren un manejo

cuidadoso a fin de no captar aguas estratificadas cuya calidad cause problemas en la

planta de tratamiento. Por estas consideraciones, se recomienda:

a. Estudiar el comportamiento del presedimentador, tanto en verano como en

invierno, en función de la calidad fisicoquímica y bacteriológica del agua que se

capta.

b. Eliminar periódicamente los lodos generados, para lo cual debe conocerse

permanentemente la altura que va tomando. No es recomendable devolver

este material al curso de agua cercano, ya que su alto grado de contaminación

afectaría seriamente los demás usos del agua (agricultura, pesca, etcétera).

Estos lodos deben ser retirados por medios mecánicos y tratados con cal, a fin

de eliminar los huevos de helmintos existentes.

141




c. Efectuar la circulación vertical del agua, con la finalidad de eliminar la

estatificación o de lograr que esta se produzca a la mayor profundidad posible,

de tal modo que permita la oxigenación adecuada del agua

Coagulación–floculación–sedimentación

Los procesos de mezcla, coagulación, floculación y sedimentación son bastante

eficientes en la remoción de la mayoría de las bacterias, protozoarios y virus que se

encuentran en el agua, debido a que estos microorganismos son partículas

coloidales y por ello se encuentran sometidos al mismo mecanismo de remoción

de los demás coloides.

Evidentemente, al continuar la aglutinación de partículas, las bacterias y los virus

son incorporados dentro de los microflóculos y se sedimentan.

Por esta característica, en los lodos provenientes de los sedimentadores, se

encuentra gran cantidad de bacterias y virus, lo que obliga a manejar estos lodos

con bastante cuidado por su peligro potencial.

Filtración

Los filtros lentos pueden llegar a remover 96% de bacterias, cuando el agua no

presenta más de 100 ppm de materias en suspensión y 200 bacterias por mililitro.

Los filtros rápidos pueden llegar hasta 98% de eficiencia en la remoción de

bacterias. La filtración es muy efectiva en la retención de los microorganismos

grandes, como las algas y diatomeas; pero los olores y sabores asociados a ellos no

son eliminados a menos que se consideren otros procesos específicos para este fin.

La luz y los rayos ultravioleta

La luz ultravioleta (longitud de onda correspondiente a la máxima acción

microbicida = 254 nm) mata las bacterias. Sin embargo, la profundidad de

penetración de esta radiación en el agua es limitada, lo que se traduce en que si se

requiere eficiencia en la eliminación de microorganismos por rayos ultravioleta, se

deben irradiar solo láminas delgadas de agua.

Su aplicación solo se reduce a aguas claras y no contaminadas. Como cualquier

proceso, la desinfección con rayos ultravioleta presenta ventajas y desventajas.

Entre las ventajas se pueden citar las siguientes:

142




a) Actúa sobre una amplia gama de microorganismos, ya que los rayos

ultravioleta inactivan los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Pueden eliminar

bacterias comunes, esporulados y virus.

b) No reacciona con los constituyentes del agua y, por tanto, no forma

derivados ni cambia las condiciones organolépticas del agua.

c) El proceso es sencillo y de bajo costo.

d) El proceso no necesita tanques de mezcla o de contacto.

Entre las desventajas pueden mencionarse las siguientes:

a) La penetración de los rayos en el agua está limitada por el color y la

turbiedad, por lo que el agua debe ser completamente clara.

b) Con el transcurso del tiempo, las lámparas pueden ensuciarse, lo que

reducirá la capacidad de penetración de los rayos.

c) La vida útil de las lámparas es muy limitada.

d) Los rayos ultravioleta tienen efecto puntual, no dejan radiación residual

para eliminar la contaminación posterior en la red, muy frecuente ya que a

menudo se producen presiones negativas que pueden permitir el ingreso

de aguas contaminadas.

2.3.3.2 Agentes químicos

Los compuestos químicos usados en la desinfección del agua son, por lo general,

oxidantes fuertes que tienen gran eficiencia en la eliminación de los microorganismos y

pueden dejar remanentes tóxicos en el agua, los cuales requieren un control estricto para

evitar riesgos en la salud del consumidor.

Los más importantes son los siguientes:

a) Los halógenos como el cloro, el bromo y el yodo. El efecto germicida y de

penetración de estos aumenta con su peso atómico. Por ser los de mayor

importancia, se hará mayor referencia a cada uno de ellos en las siguientes

secciones.

b) El ozono (O 3 ).

c) El permanganato de potasio (KMnO 4 ).

d) El agua oxigenada (H 2 O 2 ) y los iones metálicos.

143




Características de un buen desinfectante químico

Para garantizar su efectividad, un buen desinfectante debe cumplir con una serie de

requisitos. Los más importantes son los siguientes:

a) Ser capaces de destruir, en un tiempo razonable, los organismos patógenos,

independientemente de la cantidad en la que estén presentes y de las

condiciones propias del agua.

b) En las dosis usuales, no ser tóxicos para el hombre ni para los animales

domésticos, ni presentar olor ni sabor en el agua.

c) Tener un costo razonable; ser de manejo y dosificación seguros y fáciles.

d) La determinación de la concentración en el agua debe ser fácil, rápida y

económica (de preferencia, automática).

e) Debe dejar residuales persistentes en el agua, de manera que estos actúen

como una barrera sanitaria para posibles contaminaciones futuras.

144




2.3.4 LECCIÓN 29. EL CLORO

El cloro, oxidante poderoso, es, sin duda alguna, el desinfectante más importante que

existe, debido a que reúne todas las ventajas requeridas, incluyendo su fácil dosificación y

costo conveniente.

Sin embargo, presenta algunas desventajas:

a. Es muy corrosivo.

b. Puede producir sabor desagradable en el agua, incluso en concentraciones que no

significan riesgo para el consumidor.

c. Su manejo y almacenamiento requiere ciertas normas de seguridad, para evitar

riesgos en la salud de los operadores.

El cloro, en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas verde, dos y media

veces más pesado que el aire.

Algunas de sus sales también tienen poder desinfectante. Las más usadas son el

hipoclorito de calcio y el hipoclorito de sodio, cuya eficiencia bactericida es idéntica a la

del cloro y que producen reacciones similares en el agua. Se emplean en plantas

pequeñas, piscinas y pozos, pues los hipocloradores son más sencillos y económicos.

En términos generales, el costo del hipoclorito es más alto que el de la cloración con cloro

gaseoso, pero en lugares donde no se pueden transportar cilindros de cloro o en

situaciones de emergencia es la única alternativa posible.

Características del cloro como desinfectante

a) Destruye los organismos patógenos del agua en condiciones ambientales y en un

tiempo corto.

b) Es de fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo.

c) La determinación de su concentración en el agua es sencilla y de bajo costo.

d) En las dosis utilizadas en la desinfección de las aguas, no constituye riesgo para el

hombre ni para los animales.

e) Deja un efecto residual que protege el agua de una posterior contaminación en la

red de distribución.

145




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

El cloro, al entrar en contacto con el agua, lo primero que ocurre es que este se hidroliza

reaccionando con el H 2 O, luego se combina con al amoniaco presente y con la materia

orgánica, asi como ciertas sustancias químicas para producir una gran diversidad de

compuestos, algunos de los cuales tienen propiedades desinfectantes y otros no.

Básicamente se pueden considerar dos tipos de reacciones:

Las de hidrólisis

En que el cloro interacciona con la molécula de agua para producir ácido hipocloroso

(HOCl) e ion hipoclorito (OCl). A estos compuestos se les llama cloro libre.

Las de oxidación – reducción

En que el cloro se combina:

a) Con el nitrógeno amoniacal para producir cloraminas (monocloraminas NH 2 Cl y

dicloramina NHCl 2 , a las cuales se les llama cloro combinado utilizable). También

se puede producir tricloruro de nitrógeno, NCl 3 .

b) Con los aminoácidos, materiales proteínicos y orgánicos y sustancias químicas

(Fe++, Nm++, NO 2 , H 2 S), con los cuales produce distintos compuestos clorados que

forman el cloro combinado no utilizable o demanda.

La Tabla 29, resume los tipos de reacción del cloro en el agua y su efecto en el proceso de

desinfección.

Tabla 29. Tipos de reacción del Cloro en el Agua


146




Las cloraminas, productos del cloro combinado, son responsables de la desinfección como

cloro residual, por ser más estables que el ácido hipocloroso o el hipoclorito. Tienen

condicionada su formación, también al pH del agua.

Los residuales de las cloraminas, por ser relativamente estables, tienen una acción

desinfectante más lenta. Esta capacidad decrece con el menor contenido de cloro en su

molécula; es decir, la dicloramina es más activa que la monocloramina.

Cada uno de los compuestos anteriores tiene diferentes propiedades. Algunos son

desinfectantes muy activos como el HOCl, otros muy ineficientes como el NH 2 Cl y otros

carecen de todo poder desinfectante, como son los cloruros inorgánicos y orgánicos

producidos por la demanda.

La Fig. 41, permite entender que la cantidad de cloro que debe considerarse para la

eliminación de microorganismos no forma parte de la denominada demanda sino del cloro

residual (libre y combinado). Esto significa que la eliminación de los microorganismos no

produce una disminución sensible de la cantidad de cloro residual, el que, además de

ejercer su acción bactericida, protege al agua contra posteriores contaminaciones.

Fig. 41. Formas importantes de cloro en la cloración del agua


147




2.3.5 LECCIÓN 30. DOSIFICACIÓN

El cálculo de la dosis necesaria para una efectiva cloración se hace mediante una prueba

de laboratorio que consiste en determinar el punto de quiebre. La Fig. 42, ilustra lo que

ocurre en el proceso de cloración en el punto de quiebre.

Fig. 42. Curva punto de quiebre


El cloro total disponible se da como una función de la dosis de cloro y se define como la

suma del cloro libre y del cloro combinado.

El residual de cloro libre disponible es la suma de ácido hipocloroso (HOCl) y del ion

hipoclorito (OCl-), expresado como mg.Cl 2 /L. El residual de cloro combinado es la suma de

las monocloraminas (NH2Cl), de las dicloraminas (NHCl2) y de las tricloraminas (NCl3),

expresada como mg.Cl2/L.

Normalmente, el cloro libre es mucho más eficiente (requiere una dosis menor en un

tiempo de contacto también menor) que las cloraminas.

Por lo anterior, en el tratamiento del agua, cuando el cloro es el único desinfectante

aplicado y cuando las aguas están muy contaminadas, se recomienda la cloración al punto

148




de quiebre, lo cual significa que la dosis de cloro aplicada es suficiente para superar ese

punto y, por lo tanto, ha sido oxidado todo el amoniaco (NH 3 ) presente, con un residual de

HOCl, de OCl - o una combinación de ambos según sea el pH del agua.

2.3.5.1 Normatividad RAS 2000

La RAS 2000 en su título C, nos da ciertas recomendaciones referentes a la concentración

y el punto de aplicación, estas son:

Concentración en cloro residual

La concentración de cloro residual libre en el sistema de distribución debe estar

entre 0.2 mg/L y 1.0 mg/L, según lo fijado por el Decreto 475 de marzo 10 de 1998

del Ministerio de Salud.

Punto de aplicación

El cloro debe aplicarse en un punto donde provea una mezcla óptima y asegure un

máximo tiempo de contacto. El cloro debe poderse aplicar en dos etapas en caso

de ser necesario: antes del tanque de sedimentación secundaria y después de éste.

Tiempo de contacto

El período de contacto en la cámara de cloración no será menor de 30 minutos

con base en el caudal medio diario. Después de una mezcla rápida sustancial debe

proveerse un tiempo de contacto mínimo de quince minutos en el caudal máximo

horario ó la razón máxima de bombeo.

2.3.5.2 Selección de la dosis del desinfectante, método concentración - tiempo.

Cualquiera sea el nivel de complejidad, la determinación de la dosis de desinfectante con

la cual debe operar la planta de tratamiento y el dimensionamiento de los distintos

componentes de la misma debe hacerse por el método concentración-tiempo.

Este método parte del principio de que la concentración “C” de desinfectante aplicado

(cloro libre) multiplicada por el tiempo de detención “t” desde que se aplica dicha dosis

hasta que se consume el agua, es igual a una constante “C”, o sea que Ct=K. Los valores

de esa constante K están dados en las Tabla 30y Tabla 31. Fueron tomados de los que

aparecen en las regulaciones de la Agencia de Protección del Ambiente de los Estados

Unidos, los cuales varían con el pH y la temperatura del agua, según sea la eficiencia del

tratamiento que se le dé a éste en los procesos previos a la desinfección (sedimentación y

149




filtración) en los que se remueve un cierto porcentaje de organismos patógenos, que en

algunos casos puede llegar hasta el 99%.

Se emplea la ley de Watson, que se expresa así:

En donde:

C = Concentración

K = Constante que depende del pH.

t

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

agua,

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

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

manera directa la dosis de cloro.

150




(Arboleda Valencia, 2000)

Fig. 43. Variación con el pH y la temperatura de los valores de K para la destrucción de

coliformes con cloro libre

Sin embargo el empleo de esta fórmula involucra las siguientes aproximaciones:

a) Completa ausencia de retromezcla en el sector.

b) Los microorganismos y los desinfectantes están uniformemente distribuidos en el

líquido.

c) Existe una mezcla completa entre el desinfectante y el líquido.

d) La concentración del desinfectante es constante en el tiempo.

e) La tasa de inactivación es dependiente del número de organismos sobrevivientes

f) La tasa de inactivación es directamente proporcional a la concentración C.

Las tablas suministradas por la RAS 2000, para los valores de Ct que aparecen en las Tabla

30 y Tabla 31, parten de los siguientes supuestos:

151




a) Toda agua superficial está contaminada con protozoarios y virus entéricos.

b) Los procesos de tratamiento (coagulación – sedimentación – filtración) remueven

parte de los protozoarios y virus entéricos cuando los hay en el agua cruda.

c) La concentración efectiva para calcular el Ct es la que existe al final del periodo de

detención.

Estos supuestos, si bien están de lado de la seguridad, obligan a darle una desinfección

muy exigente a todas las aguas en especial por cuanto, el tiempo de detención que hay

que tomar es bastante menor que el teórico y la concentración es la final, sin tener en

cuenta que al comienzo es mucho más alta. La AWWA ha fijado como meta mantener 0.5

mg/L de cloro libre a 2.0 mg/L de cloro combinado una vez satisfecha la demanda. Pero

acepta como nivel de operación 1.0 mg/L de cloro combinado en cualquier punto de la red

de distribución, o cantidades detectables de cloro libre.

Si la operación de la planta permite durante el 90% de su operación, la remoción del 95 al

99% de coliformes en los procesos previos de sedimentación y filtración y la turbiedad del

agua filtrada se mantiene durante el 95% del tiempo menor de 1,0 UNT, debe usarse la

Tabla 30.


para log 3

10ºC 15ºC 20ºC 25ºC

Dosis de

Cloro

pH pH pH pH

Aplicada

mg/l 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5

<=0.4 24 29 35 42 16 20 23 28 12 15 17 21 8 10 12 14

0,6 25 30 36 43 17 20 24 29 13 15 18 21 8 10 12 14

0,8 26 31 37 44 17 20 24 29 13 15 18 22 9 10 12 15

1 26 31 37 45 18 21 25 30 13 16 19 22 9 10 12 15

1,2 27 32 38 46 18 21 25 31 13 16 19 23 9 11 13 15

1,4 27 33 39 47 18 22 26 31 14 16 19 23 9 11 13 16

1,6 28 33 40 48 19 22 26 32 14 17 20 24 9 11 13 16

1,8 29 34 41 49 19 23 27 33 14 17 20 25 10 11 14 16

2 29 35 41 50 19 23 28 33 15 17 21 25 10 12 14 17

2,2 30 35 42 51 20 23 28 34 15 18 21 26 10 12 14 17

2,4 30 36 43 2 20 24 29 35 15 18 22 26 10 12 14 17

2,6 31 37 44 53 20 24 29 36 15 18 22 27 10 12 15 18

2,8 31 37 45 54 21 25 30 36 16 19 22 27 10 12 15 18

3 32 38 46 55 21 25 30 37 16 19 23 28 11 13 15 18

Fuente RAS 2000. Titulo C

152




Para el caso de plantas que usen una fuente altamente contaminada o que en la

operación de los procesos previos de sedimentación y filtración se remueva menos del

90% de los coliformes totales y la turbiedad del agua filtrada esta entre 2,0 y 5,0 UNT, se

debe utilizar la Tabla 31.


para log 4

10ºC 15ºC 20ºC 25ºC

Dosis de

pH pH pH pH

Cloro

aplicada

mg/l 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5 6,0 6,5 7,0 7,5

<=0.4 49 59 69 83 33 39 47 55 24 29 35 41 16 19 23 28

0,6 50 60 71 85 33 40 48 57 25 30 36 43 17 20 24 29

0,8 52 61 73 87 35 41 49 59 26 31 37 44 17 21 25 29

1 53 63 75 89 35 42 50 60 26 31 37 45 17 21 25 30

1,2 53 63 76 91 36 43 51 61 27 32 38 46 18 21 25 31

1,4 55 65 77 93 37 43 52 63 27 33 39 47 18 22 26 31

1,6 55 66 79 96 37 44 53 64 28 33 39 48 19 22 27 32

1,8 57 67 81 98 38 45 54 65 29 34 41 49 19 23 27 33

2 58 69 83 100 39 46 55 67 29 35 41 50 19 23 27 33

2,2 59 70 85 102 39 47 57 68 29 35 42 51 20 23 28 34

2,4 60 71 86 105 40 48 57 70 30 36 43 52 20 24 29 35

2,6 61 73 87 107 41 49 59 71 31 37 44 53 21 25 29 35

2,8 62 74 89 109 41 49 59 73 31 37 45 54 21 25 30 36

3 63 75 91 111 42 51 61 74 31 38 45 55 21 25 31 37

Fuente RAS 2000. Titulo C

2.3.5.3 Ejemplos

Ejercicio 1.

Se desea clorar el efluente de una planta de filtración que tiene una turbiedad de 3 NTU,

que proviene de una fuente altamente contaminada. Se ha calculado que entre el

momento que se aplica el cloro al agua y el momento en que esta va a ser consumida, en

las horas de máxima demanda, transcurren 60 min. El pH del agua es de 8.0 y la

temperatura de 22°C. El contenido de nitrógeno amoniacal es de 0.2 mg/L, y el punto de

quiebre está a una relación Cl:N=8.5:1.

153




Se requiere:

1. La dosis de cloro deberá ser aplicada para garantizar la destrucción de los

organismos coliformes.

2. Capacidad de los cloradores

3. Volumen del tanque

4. Dimensionamiento

Solución:

1. Determinar el valor de K

Según la Fig. 43, el valor de K = 12.3 mg*min/L, por lo tanto

2. Determinación de la cantidad de cloro para sobrepasar el punto de quiebre.

Para obtener cloro libre necesitamos sobrepasar el punto de quiebre y por tanto

aplicar por lo menos 8.5*0.2 mg/L = 1.7 mg/L de cloro. En consecuencia la dosis de

cloro que deberá ponerse para obtener 0.158 mg/L de cloro libre deberá ser

aproximadamente:

1.7mg/L + 0.158 mg = 1.9 mg/L

3. Determinación de la capacidad de los cloradores:

Se determina la capacidad

Q= 0.15 m 3 /s *86400 = 12960 m 3 /d

Capacidad = Q * dosis = 12960 m 3 /d * 1.9 mg/(m 3 *1000) = 24.6 mg/d


t = 60 min = 0.04 d

V = Q * t = 12960 m 3 /d * 0.04 d = 518.4m 3

154




5. Área del tanque

Si suponemos una profundidad de 2 m el área será:

6. Dimensionamiento: Si es un tanque rectangular tiene que cumplir con la relación

1 < L/B<3. Por lo tanto asumimos que L/B = 2

Tenemos que:

Ejemplo 2

Por motivos constructivos aproximamos a 11m Por lo tanto el valor de L será:

L = 2*B = 22 m

Se requiere diseñar un sistema de cloración para una planta de tratamiento cuya

capacidad es de 0.15 m 3 /s. El agua proviene de una fuente altamente contaminada y el

efluente proviene de una planta de filtración que tiene una turbiedad de 3 NTU. Se estima

por el ensayo de punto de quiebre que con 0.8mg/L se puede llegar a tener suficiente

cloro residual. Temperatura 15°, pH 7

1. Determinar el tiempo de contacto.

2. Capacidad de los cloradores


4. Dimensionamiento

Solución

a) Determinación del valor de K

Según la Tabla 31, para un pH de 7.5 y una dosis de 0.8mg/L, el valor de K = 59

Si se aplica el criterio de la RAS, y la dosificación mediante ensayo de punto de

quiebre, la formula de Wattson se expresa así:

155




Donde:

C

K

T

= Concentración

= Constante empírica que depende del pH.

= Tiempo de retención (min)

b) Determinación del tiempo de contacto

c) Capacidad de los cloradores

C = Q * dosis = 0.15m 3 /s * 0.8mg/L

= 0.15m 3 /s * 0.8g/ m 3

= 0.12 g/s = 10.4 KgCl/d

Para el sistema de dosificación es necesario calibrarlo a una dosis de 10.4 Kg/d.

d) Volumen del tanque

El volumen del tanque se obtiene mediante la ecuación

V = Q * t = 0.15 m 3 /s * 73.8 min*60= 664.2 m 3

e) Cálculo del área, si asumimos una profundidad H = 2m, tenemos que

f) Dimensionamiento:

Preferiblemente se adopta una estructura tipo rectangular, por lo tanto debe

satisfacer la siguiente condición:

1<L/B>3

Asumimos una relación L/B = 2, por lo tanto el valor de B será:

Por lo tanto L, será igual a:

L = 2*B = 26 m

156




El cloro se aplica a la entrada del tanque de cloración.

157




3 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS

Tal como se comento en la anterior unidad, uno de los principales procesos unitarios

empleados en la potabilización de agua es la transferencia de sólidos. En esta unidad se

van a analizar los procesos de floculación, sedimentación, y filtración, cada uno con un

ejemplo de diseño adaptado a la normatividad actual

3.1 UNIDAD 3. PROCESO UNITARIO DE TRANSFERENCIA DE SOLIDOS. CAPITULO 7

FLOCULACIÓN

En este capítulo se va a describir el proceso de floculación, que se genera a continuación

de la dosificación y dispersión de coagulantes, mas detalles sobre el proceso de

coagulación se desarrollan en la Unidad 3.

3.1.1 LECCIÓN 31. TEORÍA DE LA FLOCULACIÓN

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

de floc. Este crecimiento es inducido por el contacto de partículas de diámetro mayor de

una micra (1 ), el contacto de partículas se crea por el gradiente de velocidad de la masa

liquida (Arboleda Valencia, 2000).

Los dos objetivos básicos que se persiguen con la floculación son:

a) Reunir los microflóculos para formar partículas mayores con peso específico

superior al agua.

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

concentración volumétrica, que permita una alta eficiencia en la fase de

separación (sedimentación – filtración).

Tanto el gradiente de velocidad como el tiempo de detención óptimo varían según el tipo

de agua y deben hallarse por experimentación, mediante el análisis de jarras.

Existen dos tipos de floculación: La llamada floculación pericinética, debida al

desplazamiento continuo de las moléculas de agua producido por el movimiento

Browniano y por la gravedad o peso de las partículas que al caer tienden a aglomerarse. El

otro tipo es la floculación ortocinética que es debida al gradiente de velocidad inducidos

en el liquido por energía mecánica o hidráulica, causando el movimiento de las partículas

158




a diferentes velocidades y direcciones lo cual aumenta considerablemente la posibilidad

de colisión.

El proceso de floculación pericinética es extremadamente lento, por esto no es de interés

práctico en el tratamiento de agua, a continuación se presentarán las consideraciones

teóricas y factores que influyen en la floculación ortocinética.

En el proceso de floculación existen tres características esenciales que se deben estudiar,

estas son:

a) La forma de producir la agitación

b) El gradiente de velocidad

c) El tiempo de retención

159




3.1.2 LECCIÓN 32. CLASIFICACIÓN DE LOS FLOCULADORES.

Según el tipo de energía usada para producir la agitación, los floculadores pueden

clasificarse en hidráulicos, mecánicos e hidromecánicos. Los hidráulicos según el sentido

del flujo, se clasifican en: de flujo horizontal, de flujo vertical y de flujo helicoidal. Los

mecánicos, se clasifican según el sentido del movimiento, en reciprocantes y rotatorios. Y

los hidromecánicos, son de flujo horizontal. Cabe destacar también dos tipos de

floculadores que tienen carácter experimental; los de piedras y los de mallas, ver Tabla 32.

Tabla 32. Clasificación de los floculadores

Según la energía Según el Sentido

de agitación de Flujo Descripción Nombre

Con tabiques de ida y

Flujo Horizontal

regreso

De Tabiques

Con tabiques arriba y

abajo del tanque

Con codos en el fondo

Hidráulicos

que proyectan el agua Alabama

Flujo Vertical

arriba y abajo

Con entrada lateral al Cox

tanque

Rotatorios

Mecánicos

Reciprocantes

Hidromecánicos Flujo horizontal


De paletas de eje

De Paletas

horizontal o vertical

De turbinas

Horizontales o De turbinas

verticales

Rejas o cintas

oscilantes

Reciprocantes

De turbina Pelton y

Hidromecánicos

paletas Horizontales

160




3.1.3 LECCIÓN 33 FLOCULADORES HIDRÁULICOS

Los floculadores hidráulicos derivan su energía para la agitación de la masa liquida, de la

carga de velocidad que el flujo adquiere al escurrir por un conducto. Consisten en tanques

provistos de pantallas entre los cuales el agua circula con una velocidad fija, produciendo

cierta turbulencia en cada cambio de dirección del flujo, ver Fig. 44.

Planta

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


Fig. 44. Floculadores hidráulicos de tabiques

Los más comunes son los de flujo horizontal y los de flujo vertical. En los primeros, el flujo

va y viene alrededor de los tabiques haciendo un giro de 180° al final de cada uno. En los

segundos, el flujo sube y baja en condiciones similares.

3.1.3.1 Pérdidas de carga

En los dos tipos de floculadores se produce una pérdida de carga h t , generada por,

Fig. 45:

a. Por el cambio de dirección y turbulencia h'

b. Por ensanchamiento y contracción de la sección h''

c. Por fricción en los tramos rectos h 2

La suma de estas pérdidas de carga constituye la pérdida de carga total h t,.

161




h 1

h 2

Sa = h 2

I 2

Si =

h 1

I 1

h

h

I 1

I 1

I 1 I 2

I 1

I 2

Sa

Sección

Fig. 45. Gradientes de energía, y pérdidas en floculadores de flujo horizontal.


PLANTA

En los floculadores de flujo horizontal h' + h'' = h 1, es proporcional a la carga de velocidad

v 2 / 2g, así:

h

1

2

V

k * N

2g

Donde: k = constante empírica (2 a 4, comúnmente 3.0)

N = número de tabiques

V = velocidad promedio de flujo = Q / A = Gasto / Sección transversal. (m/s)

g = aceleración de la gravedad, m/s 2

Según el RAS titulo C (2000), recomienda que la velocidad del agua a través del tanque

este entre 0.20 y 0.60 m/s. Algunos diseñadores suelen hacer dos o tres sectores,

162




incrementando el espaciamiento de los tabiques para producir una alta velocidad al

principio (0.30 - 0.60 m/s) y baja al final (0.20 - 0.30 m/s).

Las velocidades altas (0.60 m/s) Pueden romper el floc, mientras que las bajas (0.10 m/s)

permiten la sedimentación de los lodos. Cada una de acuerdo con las fuerzas que

mantienen aglutinadas las partículas y los coagulantes que se usen, requiere un estudio

especial al respecto.

El coeficiente k es adimensional y varía en proporción directa con la pérdida de carga e

inversa con el cuadrado de la velocidad:

2g

h1

k *

2

N v

Suele tomarse k = 3.0 como valor promedio, pero en realidad varia entre 2 y 4 según la

rugosidad de los tabiques, el espaciamiento entre el extremo de los tabiques y la pared, la

temperatura, viscosidad del agua, la forma de la punta de los tabiques (redondeada o

cuadrada), etc.

De los estudios de Cordón y Samayoa se podría deducir que el valor más frecuente de k

tiende hacia 3.0.

La pérdida de h 2 se puede calcular con la formula de Manning así:

Donde:

v n

h SL

2 2 3

R

2

L

S = pendiente del canal

v

Q

A

gasto

sec cion transversal

R radio

medio

hidraulico

A

P

area

perimetro mojado

n : coeficiente de Manning (puede tomarse 0.013 para superficies de cemento y 0.012

para asbesto-cemento).

La pérdida de carga h 1

pérdida total.

es la que predomina y puede representar hasta el 90% de la

163




La suma de estas pérdidas constituye la carga total, esto es:

h t

h 1

h 2

3.1.3.2 Gradiente de velocidad en floculadores hidráulicos

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

Donde:

P

D

* Q*

ht

V

PD = Potencia disipada

Q = Caudal m 3 /s

h t = Pérdidas totales

V = Volumen m 3

3

Como V Area * L y Q Area * velocidad ( v)

P

D

*

v

ht

L

Donde:

L = longitud en la cual se produce la pérdida de carga h f.

v = Velocidad promedio del flujo

Como:

Volumen

Q

A*

L

A*

v

L

v

T

H

P D

*

T

Donde

T = tiempo nominal de retención

siendo

v

g

a partir de P se calcula G, así:

164




G

P

* V

* H

* T

g * H

v*

T

El RAS 200, titulo C, recomienda que el gradiente medio de velocidad ( G ) debe estar entre

20 s -1 y 70 s -1 y el tiempo de detención (t d ) entre 20 y 30 minutos, deben determinarse en

base a las pérdidas de carga y la longitud de trayectoria del flujo.

165




3.1.4 LECCIÓN 34: FLOCULADOR DE FLUJO HORIZONTAL

En este tipo de floculadores, el agua se desplaza en sentido horizontal entre dos tabiques

consecutivos haciendo el giro al final de cada uno. Para utilizar un floculador de flujo

horizontal, el tanque debe estar dividido por pantallas de concreto u otro material

adecuado, dispuesto de forma que el agua haga un recorrido de ida y vuelta alrededor de

las mismas. Debe dejarse suficiente espacio para la limpieza de los canales; si éstos son

muy estrechos las pantallas deber ser removibles.

La Fig. 46, presenta el esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal, vista en

planta.

Lt

Entrada

Salida Entrada

Fig. 46.Esquema de un floculador de tabiques de flujo horizontal

Las principales desventajas de este tipo de floculadores son:

a) Se produce mucho más pérdida de carga y por tanto gradiente de velocidad en los

giros de 180° del flujo que en los tramos rectos.

b) Cuando los tabiques son fijos, la velocidad es constante para cada flujo. Si se quiere

cambiar Q la velocidad cambia y cambia también la pérdida de carga, pudiendo ser

o muy alta o muy baja.

Para una velocidad de 60 cm/seg. por ejemplo, el gradiente de velocidad en los tramos

rectos es de solo 22 seg -1, mientras que en las puntas de los tabiques puede alcanzar hasta

600 seg -1 para una pendiente hidráulica del 5.51%.

166




Por tanto es conveniente disminuir la velocidad del agua en los giros de 180° del flujo

para evitar la ruptura del floc. Velocidades no mayores de 15 cms/seg. son aconsejables.

Por eso tradicionalmente el espaciamiento entre el extremo del tabique y el muro se ha

hecho igual a 1.5 veces la separación entre tabiques (E), pero tal regla no debe tomarse

como absoluta.

La segunda dificultad en este tipo de floculadores es su falta de flexibilidad. Efectivamente

habiendo una sección constante en los canales, no se puede variar el gasto de la planta

sin que varíe la velocidad de flujo.

Por otra parte, la longitud del canal necesario y por tanto él número de tabiques es

función de la velocidad del flujo y del tiempo de retención (L = v * t) y no del gasto, el cual

solo determina la sección (ancho-profundidad) del canal. Por lo tanto si quiere hacer dos

floculadores en lugar de uno, se disminuye el espaciamiento entre tabiques y el tamaño

de cada tanque, pero el número de tabiques se multiplica por dos, lo que puede aumentar

el costo de construcción.

Sin embargo, el floculador hidráulico tiene una serie de ventajas que no deben

subestimarse.

- No tienen cortos circuitos, esto es, que el flujo queda retenido durante un tiempo

casi igual al periodo de detención nominal.

- No tiene partes movibles, de forma que su operación y mantenimiento son más

simples que de los equipos mecánicos.

- Si bien la pérdida de carga necesaria para producir un determinado gradiente de

velocidad es mayor, no requiere consumo externo de energía, lo que es una

considerable ventaja cuando el flujo llega por gravedad a la planta.

Esto hace especialmente atractivos a los floculadores hidráulicos en países no

industrializados, sobre todo si se modifica el diseño para salvar algunas dificultades que se

presentan.

3.1.4.1 Parámetros de diseño

Tiempo de detención y gradiente de velocidad

El tiempo de detención y el gradiente de velocidad deben determinarse a través de

pruebas de laboratorio. El gradiente medio de velocidad (G) debe estar entre 20 s -1 y 70 s -1

y el tiempo de detención (t d ) entre 20 y 30 minutos, deben determinarse en base a las

pérdidas de carga y la longitud de trayectoria del flujo.

167




Velocidad del agua

El floculador debe diseñarse de manera que la velocidad del agua a través del tanque este

entre 0.2 m/s y 0.6 m/s.

Sección de los canales

La sección de los canales se puede obtener por la fórmula

Q

A

v

En donde:

v = Velocidad promedio del flujo m/s

Q = Caudal de entrada m 3 /s

Longitud efectiva de cada canal:

La longitud efectiva del canal se puede calcular mediante la fórmula:

L = B – e

Donde:

L = Longitud de canal

B = ancho del floculador

e = espacio entre los extremos de los tabiques y las paredes del tanque

Número de canales

El número de canales se calcula mediante la fórmula

N

L

tot

L

Longitud total

La longitud total del floculador se calcula mediante la fórmula:

LT = n A + (n-1) B

168




Villegas de Brigard (2008), en su libro nos presenta los siguientes criterios de diseño para

floculadores hidráulicos de tabiques.

Tabla 33. Criterios de diseño para floculadores hidráulicos de tabiques.

Fuente: (Villegas de Brigard, 2008).

169




3.1.5 LECCIÓN 35. EJEMPLO DE DISEÑO FLOCULADOR

Diseñar un floculador hidráulico horizontal, para el municipio de San Pedro, que tiene una

capacidad promedio de 0.15 m 3 /s. se ha proyectado efectuar la mezcla lenta mediante

dos floculadores hidráulicos de tabiques de flujo horizontal, trabajando en paralelo, con

un tiempo de retención de 30 minutos y una velocidad promedio de 0.2 m/s. Dimensionar

los floculadores. El floculador estará constituido por un canal en concreto al cual se le

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

Diseño de cámara de aquietamiento, teniendo en cuenta que la velocidad de salida de la

canaleta Parshall es de 1.01 m/s, y que la velocidad de entrada debe ser de 0.2 m/s.

Diseño de cámara de aquietamiento, la cámara se supone de una pendiente S de 0.1%, y

coeficiente de Maning de 0.014.

Calculo de la cámara de entrada

Área = Q/V =0.15m 3 /s/0.2m/s = 0.75m 2

Dimensionamiento

Donde:

h = nivel de agua en el canal de entrada

Remplazando

3

0.15m

/ s*0.014

1/ 2

(0.001)

(3/8)

h

h 0. 36m

Por seguridad aumento 9 cm (10-30% de h) con o cual h = 0.45

Con lo cual el ancho b será igual a:

b= A/h = 0.75m2 / 0.45m = 1.7m

170




Calculo del caudal unitario

El caudal para un floculador será:

QT 0.15m3/

s

Q 0.075m3/

s

N 2

Longitud total canales

Longitud total de los canales en el floculador será:

L c = vel * T = 0.2m/s * 30 min* 60s/min = 360m

Área de los canales

La sección transversal de los canales será:

A

Q

v

0.075m3/

s

0.2m

/ s

0.38m

2

Separación entre tabiques

Teniendo en cuenta la altura de la placa de asbesto cemento de 1.2m. por lo tanto

la altura de la lámina de agua será:

h = altura de la placa – borde libre

Asumimos un borde libre de 0.1 m

Por lo tanto h = 1.2m – 0.1m = 1.1m

Con lo cual la separación entre tabiques a, es:

Espaciamiento entre los extremos

a A 0.38m2

0. m

h 1.1m

35

171




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

Por lo general la distancia desde el extremo del tabique y el muro = 1.5 la

separación entre tabiques.

e = a * 1.5 = 0.53 m

Longitud efectiva del canal

Teniendo en cuenta las dimensiones de las placas de asbesto cemento de 3.6 m *

1.2m * 0.008m.

La longitud efectiva será igual a:

L = ancho de placa – espaciamiento de extremos

L = 3.6 – 0.53 = 3.07 m

Número de canales

El número de canales será:

N

LC

L

360m

117

3.07m

Se diseñarán 117 canales y 116 tabiques.

Longitud total del tanque

La longitud total del tanque, teniendo en cuenta el ancho de las placas de 0.008m,

será

LT = N* e p + (num de tabiques)*a = 117 * 0.008 m+ 116*0.35 = 41.5 m

Radio hidráulico

El radio hidráulico será:

2

R A 0.38m

0. m

(2* h a)

(2*1.1m

0.35m)

15

172




Calculo de las pérdidas

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

0.013 para cemento,

v n

h SL

2 2 3

R

2

L

0.2m

/ s *0.013

h2

*360m

0. 03m

2 3

0.15

2

Y las pérdidas localizadas serán:

h

1

2

V

k * N

2g

k = constante empírica (2 a 4, comúnmente 3.0) = 3

N = número de tabiques = 118

V = velocidad promedio de flujo = 0.2 m/s

G = aceleración de la gravedad = 9.8 m/s 2

2

(0.2m

/ s)

h1 3*116

0. 71m

2

2*9.8m

/ s

La pérdida de energía total será:

h T = 0.71+0.03 =0.74 m

Gradiente de velocidad

El gradiente de velocidad se calcula mediante la fórmula:

G

. hT

.

T

173

0,5

0,38

1,7

0,44




G

1.14*10

3

998.97Kgf

/ m *0.74m

1

60.02s

4

2

kgf * s / m

*30min* 60s

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

s -1 , ver Tabla 33, por lo tanto nuestro diseño cumple con las especificaciones.

1

0,3

Fig. 47. Esquema cámara de aquietamiento

174

0,1

4,12

3,07

3,6

0.53




La Fig. 48, presenta el esquema con las dimensiones definitivas de la primera zona.

0,35

0,01

42.2

Vista en Planta

1,2

Vista en Corte

Fig. 48. Dimensiones de la primera zona del floculador

175




3.2 CAPITULO 8: SEDIMENTACIÓN

3.2.1 LECCIÓN 36: PROCESO DE TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS: SEDIMENTACIÓN

FUNDAMENTOS

Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las partículas en

suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso específico mayor

que el fluido.

La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por sedimentación

o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como complementarios. La

sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la filtración remueve

aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del agua o que han sido

resuspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el proceso anterior.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los

procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está

relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua.

Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será

siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo se utilizan

para designar la sedimentación los términos de clarificación y espesamiento. Se habla de

clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento

cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada.

Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las

características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos

referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas

floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida (Maldonado

Yactayo, 2004).

SEDIMENTACIÓN DE PARTÍCULAS DISCRETAS

Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de características

(forma, tamaño, densidad) durante la caída. Se denomina sedimentación o sedimentación

simple al proceso de depósito de partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma

de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los

presedimentadores como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y

también en sedimentadores como paso previo a la filtración lenta.

176




SEDIMENTACIÓN DE PARTÍCULAS FLOCULENTAS

Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides

desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia de las

partículas discretas, las características de este tipo de partículas —forma, tamaño,

densidad— sí cambian durante la caída.

Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de partículas

floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas, como

proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración rápida

SEDIMENTACIÓN POR CAÍDA LIBRE E INTERFERIDA

Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan sin

interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas

concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición

fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A este proceso de sedimentación

se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal.

Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor

consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de

sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación

con manto de lodos.

3.2.1.1 Teoría básica de sedimentación

Para analizar con mejor amplitud el fenómeno de la sedimentación simple conviene

enfocar en primer lugar el caso más general del movimiento de una partícula cualquiera

en un fluido cualquiera y referirse después en detalle a los casos particulares de los

procesos técnicos de tratamiento.

Sedimentación de partículas discretas con caída libre

El fenómeno de sedimentación de partículas discretas por caída libre, también

denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la mecánica clásica,

que infiere que una partícula que se encuentra en un líquido está sometida a dos fuerzas,

177




La flotación FF, que es igual al peso del volumen de líquido desplazado por la partícula, de

acuerdo al conocido principio de Arquímedes; y la fuerza gravitacional FG, ver Fig. 49.

FF

FG

Fig. 49. Fuerzas actuantes en una partícula.

En este caso la sedimentación es solamente una función de las propiedades del fluido y las

características de las partículas según se demuestra a continuación:

Si se imagina el caso de una partícula que se deja caer en el agua. esta partícula estará

sometida a dos fuerzas, Fig. 49. Fuerza de flotación (FF), que es igual al peso del volumen

del líquido desplazado por la partícula (principio de Arquímedes), y fuerza gravitacional

(FG).

Si

F f

* g * V [1] y F * g V [2]

G s

*

= Densidad del líquido

s = Densidad del solido

V = volumen de la partícula

De la acción de ambas fuerzas tenemos la fuerza resultante, que será igual a la diferencia

de estos dos valores y estará dada por:

Donde:

Fi g * V *( )

[3]

s

F i = fuerza resultante o fuerza de impulsión

Arrastrada por esta fuerza la partícula desciende con velocidad creciente, pero a medida

que baja la fricción que el líquido genera en ella crea una fuerza de roce definida por la ley

de Newton, cuyo valor es:

178




En la cual:

F

r

2

Vs

CD

* A*

*

[4]

2

F r

C D

= Fuerza de rozamiento

= coeficiente de arrastre

= área transversal al escurrimiento

= Velocidad de sedimentación

A

Vs

Vs 2 = Energía cinética

2

Después de un corto periodo, la aceleración pasa a ser nula y el valor de la fuerza de

rozamiento (F r ) igual a la de impulsión (F i ), momento en el cual la partícula adquiere una

velocidad constante, la cual es conocida como velocidad de asentamiento o

sedimentación, en este momento se cumple que (3) es igual a (4). Y, por tanto:

VS

g * V *(

s

)

CD

* A*

*

[ 5]

2

Despejando el valor de Vs se obtiene:

2

V

s

2g

s

V

( )( )

[ 6]

C A

D

Para el caso particular de sólidos esféricos:

2

d

A y

4

V

3

d V 2

d

6 A 3

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

V

s

2g

C

D

s

2

( )( d)

3

4 g

s

Vs ( ) d

[ 7]

3 C

D

179




En la cual:

V s = velocidad de sedimentación

d = diámetro de la partícula

g = aceleración de la gravedad

s = densidad de la partícula

El coeficiente de arrastre de Newton es una función del número de Reynolds y de la forma

de las partículas

C D

a Re

n

Siendo

Donde:

Vs *d

Re

Re = número de Reynolds

A = constante específica

d = diámetro de la partícula

= viscosidad cinemática (cm 2 / s = stokes)

Para calcular la velocidad de sedimentación utilizando la formula de Fair, se pueden

emplear los siguientes criterios:

Para flujo laminar (R e 1)

tenemos que:

24 s C

D

y Ss

Re

Donde:

Ss = Densidad relativa

2

g d

Vs ( Ss 1)

18

180




Cuando d > 1mm, Re> 1.000, presentan flujo turbulento, para lo cual:

C D = 0.4

Remplazando,

Vs 3.3*

g *( Ss 1)

d

Que se conoce como la ecuación de Newton.

Sedimentación Interferida

Se realiza cuando una partícula discreta sedimenta a través de un líquido en caída libre, el

líquido desplazado por la partícula se mueve hacia arriba a través de un área

suficientemente grande sin afectar el movimiento. En la sedimentación interferida, las

partículas se encuentran colocadas a distancias tan reducidas que el líquido desplazado se

confina como dentro de un tubo y la velocidad aumenta conforme se interfiere en los

campos situados alrededor de las partículas individuales.

El flujo no sigue líneas paralelas, sino trayectorias irregulares, a causa de la interferencia

de las partículas en suspensión, lo que produce un fenómeno similar al que se genera en

el retrolavado de un filtro.

Sedimentación de partículas floculentas

Las partículas que se remueven en una planta de tratamiento de agua son sólidos

inorgánicos y orgánicos. Los factores primordiales que influyen en la velocidad de

sedimentación son su tamaño, forma y densidad.

La materia en suspensión que origina la turbiedad consiste principalmente en sílice

finamente dividida, arcilla y limo. La densidad original de las partículas es cercana a 2,60.

El color, en cambio, es producido principalmente por ácidos orgánicos (fúlvicos, húmicos,

etc.) de origen vegetal con densidades variables de 1 a 1,5 dependiendo de su

concentración. Las partículas se presentan principalmente en estado coloidal y es

necesario añadirles coagulantes químicos y someterlas a procesos de coagulación y

floculación para incrementar su tamaño o densidad antes del proceso de sedimentación.

Las partículas en suspensión de aguas tratadas con coagulantes, consisten en flóculos

formados por óxidos metálicos (Al2O3 o Fe2O3), agua en 85 a 95% y turbiedad y/o color

con densidades variables entre 1,002 cuando predomina el color y 1,03 cuando predomina

la turbiedad. En procesos de ablandamiento los flóculos tienen densidades cercanas a

1,20.

181




El diámetro de los flóculos es variable desde menos de 0,001 mm hasta más de 5 mm,

dependiendo de las condiciones de mezcla y floculación (gradientes de velocidad y tiempo

de retención). Willcomb clasifica los flóculos por su tamaño, tal como se indica en la Fig.

50.

Fig. 50. Indice de Willcomb para determinar el tamaño del flóculo

Fuente (Arboleda Valencia, 2000)

Para obtener los valores de sedimentación crítica y de remoción de turbiedad para estas

partículas se emplea el ensayo de jarras y a su vez el ensayo de “Columna de

sedimentación”.

182




3.2.2 LECCIÓN 37: CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓN

En un amplio sentido el término sedimentación comprende un grupo de acciones

diferentes según el tipo y concentración de sólidos o partículas en suspensión, los que se

resumen en los modelos indicados en la Tabla 34.

Tabla 34. Tipos de sedimentación

TIPO DE

SEDIMENTACIÓN

1. Sedimentación

de partículas

discretas

2. Sedimentación

floculenta

3. Sedimentación

retardada

4. Sedimentación

compresión

CARACTERÍSTICAS

DE LOS SÓLIDOS EN

SUSPENSIÓN

Partículas discretas y

aisladas en

soluciones diluidas

Partículas

aglomerables en

soluciones

relativamente

diluidas

Soluciones de

concentración

intermedia


Soluciones de alta

concentración

DESCRIPCIÓN DEL

PROCESO

No hay

interacción entre

las partículas y

entre las

partículas y el

resto del fluido

Las partículas se

aglomeran

agrupándose en

partículas de

mayor tamaño

Las partículas

interfieren entre

si en su descenso

manteniendo

posiciones

estables.

Se forma una

estructura entre

las partículas que

va modificándose

lentamente con el

tiempo

EJEMPLOS

Movimiento de

sedimentación de

partículas en

desarenadores o

presedimentadores

Sedimentación de

flocs en

decantadores

horizontales o de

placas

Deposición de lodos

en decantadores de

flujo ascendente.

Compactación de

depósito de lodos

La sedimentación o la decantación se realizan en reactores denominados sedimentadores

o decantadores, de acuerdo con el tipo de partícula y el sentido de flujo que se remueva

en cada unidad. La clasificación más recomendable es la siguiente, Tabla 35:

183




Tabla 35. Clasificación de los procesos de sedimentación según el sentido del flujo.

SENTIDO DEL FLUJO TIPO DE

SEDIMENTACIÓN

EJEMPLO TASA DE FLUJO

m 3 /m 2 /d

Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 – 420

15 - 30

Vertical 2 y 3 Manto de lodos 45 - 60

Inclinado

(ascendente o

descendente)


1 y 2 Decantadores con

placas.

120 - 180

En la figura Fig. 51, se puede observar los diferentes tipos de sedimentadores de acuerdo

al sentido del flujo, además de detalla el tipo de sedimentación (clarificación ) que se lleva

a cabo en cada parte del proceso.

Fig. 51. Tipos de sedimentadores según el sentido del flujo


184




3.2.2.1 Modelo teórico de la sedimentación convencional

Es importante conocer el modelo teórico de la sedimentación convencional desarrollado

por Hazen y Camp, antes de desarrollar la metodología de diseño de sedimentadores de

flujo horizontal, vertical o inclinado, ya que ayuda a definir conceptos y se establecen

parámetros que son, como se verá más adelante, aplicables también al caso de partículas

aglomerables.

El modelo fue desarrollado por Hazen en 1904 y luego lo retomó Camp en 1946 y se basa

en la concepción de un tanque de sedimentación ideal. Camp, lo definió como “el

decantador hipotético en el cual la sedimentación se realiza exactamente en la misma

manera que en un recipiente de igual profundidad que contenga un líquido en reposo”.

El modelo responde a las siguientes características:

1. Se identifican en el tanque de sedimentación cuatro zonas independientes: de

entrada, de salida, de sedimentación y de retención de partículas sedimentadas.

2. Hay una distribución uniforme de partículas en la entrada. La concentración de

partículas de cada tamaño es por lo tanto la misma en todos los puntos de la

sección transversal de entrada.

3. En la zona de sedimentación la dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la

misma en todos los puntos, por lo que responde a un modelo de flujo tipo pistón.

4. Toda partícula que entra a la zona de lodos queda atrapada y se considera

removida.

5. Las partículas aun siendo de diferentes tamaños, se comportan con partículas

discretas y aisladas en la zona de sedimentación, o sea se produce clarificación tipo

1.

Una unidad de sedimentación consta de cuatro zonas:

- Zona de entrada cuya función es la distribución del agua en forma que la velocidad

sea uniforme en toda la sección transversal, minimizando además las corrientes

que causan turbulencia.

- Zona de sedimentación propiamente dicha, donde se produce la remoción de

sólidos del agua.

- Zona de salida o recolección del agua, la cual recoge el agua clarificada en forma

que la velocidad sea lo más uniforme posible.

- Zona de depósito de lodos, utilizada para almacenar los lodos sedimentados hasta

el momento que se retiren del reactor.

185

ZONA DE ENTRADA

ZONA DE ENTRADA

ZONA DE SALIDA

ZONA DE SALIDA




En la Fig. 52, esquematiza las diferentes zonas componentes de un sedimentador.

E

ZONA DE SEDIMENTACION

S

PLANTA

ZONA DE SEDIMENTACION

ZONA DE LODOS

CORTE LONGITUDINAL

Fig. 52. Zonificación de un sedimentador convencional


El comportamiento de partículas de diferentes velocidades de sedimentación corresponde

a trayectorias rectas en la zona de sedimentación debido a la composición de los dos

movimientos: el de desplazamiento con el flujo de velocidad vf y el de sedimentación

respecto al fluido de velocidad vs, como se explico anteriormente.

Según sea pequeña o alta la velocidad de sedimentación, vs, de las partículas se pueden

producir las situaciones indicadas. La Fig. 53, presenta el caso en que la velocidad de

sedimentación es menor que la crítica, en este caso solo una parte de las partículas queda

retenida, en el caso de la Fig. 54, la velocidad es más alta que la velocidad de

sedimentación critica por lo tanto, todas las partículas quedan retenidas.

186




V

H H´

V S

Fig. 53. Esquema de sedimentación para bajas velocidades


H

V Sc

V

H´

Fig. 54. Esquema de sedimentación en el caso de altas velocidades


Ahora bien, el sedimentador “ideal” se diseña para eliminar el 100% de las partículas que

tengan una determinada velocidad de sedimentación crítica v sc , o mayor, que son las que

estando en posiciones extremas a-a de la zona de sedimentación son retenidas en las

posiciones extremas b-b de la zona de lodos, ver Fig. 55.

187




a

a

As

Vf

H

V S

b

L

b

B

Fig. 55. Diagrama sedimentación ideal


En un sedimentador ideal de forma rectangular y con un flujo horizontal la resultante será

la línea recta. Así mismo, otras partículas discretas se moverán en lugares geométricos

paralelos (a – b) pudiendo establecer semejanza de los triángulos: de velocidades y las

dimensiones del sedimentador. Si (L) es la longitud, (B) el ancho y (H) la altura del tanque ,

se obtiene:

Vf

Q

BH

Donde

Q = Flujo en el tanque

Vf = Velocidad de flujo

De la semejanza de triángulos formados por H Y L y por el diagrama vectorial de

velocidades se tiene que:

V sc

Vf

H

L

188




V

sc

Vf

H

L

QH

BHL

Q

BL

Q

A

S

Donde:

As = Área superficial del sedimentador.

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

superficial y se expresa en: m 3 /m 2 /d o m 3 /m 2 /h.

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

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

partículas de velocidad de sedimentación v s , igual o mayor que la velocidad crítica v sc ,

quedará retenida con una eficiencia del 100% y todo conjunto de partículas de velocidad

de sedimentación menor que la carga superficial será retenido en forma parcial con una

eficiencia proporcional al cociente.

Vsc

Q /

A S

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

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

de velocidad de sedimentación vs, queda expresada por el cociente.

E

H

H

´

vst

v t

sc

v

s

Q

A S

Donde

T = Tiempo de sedimentación = V/Q

V = Volumen del tanque

Si Q se expresa en m 3 /m 2 /d y As en m 2 , Vsc tiene como unidades m 3 /m 2 /d. Dicho de otra

forma, la carga superficial o tasa de sedimentación, conocido parámetro de diseño, es

equivalente a la velocidad de sedimentación crítica.

Criterio que sirve para exclusivamente explicar la teoría básica de clarificación y puede ser

útil para diseñar cierto tipo de sedimentadores: desarenadores.

189




Todas las partículas que tengan velocidades de sedimentación iguales o mayores que Vsc

sedimentaran. Pero las partículas que tengan velocidades de sedimentación menores a

Vsc sedimentaran.

Se deduce entonces que la eficiencia de un sedimentador ideal solamente depende de la

relación entre la velocidad de las partículas y la velocidad de sedimentación. A esta

relación se le conoce como el número de Hazen.

En resumen, un sedimentador, se diseña para remover un tamaño de partícula mínimo y

todos los tamaños superiores a este y además una fracción de todos los tamaños

inferiores a este.

Como consecuencia de lo indicado, se puede llegar a las siguientes conclusiones sobre

sedimentación de partículas en un sedimentador ideal:

a) Para que un sedimentador de flujo continuo sea considerado como ideal, la

dirección del flujo debe ser la misma, así como su velocidad constante en todos los

puntos de una sección.

b) Que la concentración de partículas con iguales características sea la misma en

todos los puntos de la sección vertical a la entrada al sedimentador.

c) Que una partícula queda removida cuando se depositan en el fondo del

sedimentador.

d) Que para un caudal dado, la remoción de partículas en suspensión es función de

la carga superficial, siendo independiente de la profundidad de sedimentación.

e) Que la concentración de la materia en suspensión para cualquier sección

transversal del sedimentador se incrementa con la profundidad de sedimentación

y decrece con la proximidad a la salida del sedimentador. Por lo tanto, las

trayectorias de partículas de iguales características originan lugares geométricos de

igual concentración de partículas.

190




3.2.3 LECCIÓN 38: SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL

Estos sedimentadores, a su vez, se clasifican de acuerdo a la forma en; rectangulares,

circulares y cuadrados.

Los decantadores o sedimentadores rectangulares tienen la forma y características

detalladas en la figura Fig. 56, con la ventaja de permitir una instalación compacta,

aunque su costo es más elevado.

Rebose

Floculador

Canaleta

de Salida

Canal de Agua

Decantada

PLANTA

Vertedero de Rebose

Floculador

Canaleta de Salida

Canaleta

de Agua

Sedimentada

Consentracion de Lodos

CORTE

Fig. 56. Sedimentadores horizontales de forma rectangular


Por ser los sedimentadores horizontales en forma rectangular los que más se han

utilizado, se hace referencia a éstos. Este tipo de decantación ha entrado en desuso

debido al gran espacio que ocupa, imponiéndose en la actualidad la sedimentación en alta

tasa.

La unidad debe constar de:

191




Zona de entrada.

La entrada del agua a los sedimentadores debe ser realizada por un dispositivo hidráulico

capaz de distribuir el caudal uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar

la energía que trae el agua y garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual

intensidad y dirección evitando altas velocidades que puedan arrastrar los lodos ya

depositados, utilizando valores menores que 0.15 m/s.

Para los sedimentadores el dispositivo de entrada a la unidad debe trabajar con un

gradiente igual al de la última cámara de floculación. En la última zona de floculación el

gradiente de velocidad que tiene el agua puede estar comprendido entre 20 y 40 s-1. Esto

implica que no es fácil hacer pasar el agua de un floculador a un sedimentador sin que se

produzcan grandes perturbaciones en las líneas de flujo.

Varios dispositivos pueden ser considerados, tales como pantalla perforada, canal con

orificios laterales o de fondo, muros dobles y canal con orificios combinado con pantalla

perforada. Algunas de estas estructuras se muestra en la Figura 8.13.

0.30 m

1

5 ó 1 6 h

Muro Sólido

Sedimentador

Floculador

Tabique

de Madera

Perforado

Floculador

Tabique Difusor

de Concreto

1

4 ó 1 5 h

Canal de Agua

Floculada

Tabique Difusor

de Concreto

Floculador

Sedimentador

Floculador

Tabique Difusor

de Concreto

Sedimentador

Fig. 57.Dispositivos de entrada para decantadores


192




Zona de sedimentación.

Debe constar de una cámara con volumen y condiciones de flujo adecuados que permitan

la sedimentación de las partículas. No debe contener ningún elemento que interfiera el

paso del flujo dentro de esta zona.

Zona de salida.

Los dispositivos de salida, conjuntamente con los de entrada ayudan a garantizar la buena

distribución del agua entre los diferentes tanques de sedimentación y determina la mayor

o menor proporción de partículas que pueden ser resuspendidas en el efluente.

El agua puede ser retirada del sedimentador por medio de vertederos, canaletas u

orificios con perforaciones que al tiempo que fijan el nivel del agua en el mismo, reducen

las velocidades ascendentes de aproximación a las estructuras de salida, disminuyendo el

transporte de los flóculos hacia los filtros.

El objeto del vertedero es recolectar el agua a todo lo ancho del sedimentador; debe

funcionar libre para garantizar que la carga sobre el sea constante y el agua salga

uniformemente, el diagrama en corte y planta de la disposición del vertedero se observa

en la Fig. 58.

Vertedero

Vertedero

Longitud

Necesaria

(L)

Canal de Agua Sedimentada

PLANTA

CORTE

Fig. 58. Vertedero de recolección de agua sedimentada


RECOLECCIÓN Y DESCARGA DE LODOS.

Para los sedimentadores con remoción manual de lodos deben presentar además las

siguientes características:

1. El punto de descarga del sedimentador debe situarse preferencialmente en la zona de

mayor acumulación de lodo.

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

193




3. Las unidades deben tener una altura adicional suficiente para acumular el lodo

resultante de 60 días de funcionamiento, si no se hace remoción continua de lodos.

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

remoción de lodos.

Tolva de lodos. Los lodos se depositan en un sedimentador de tal manera que entre el

60% y el 90 % lo hacen en el primer tercio de su longitud. Para almacenarlos

adecuadamente la tolva debe tener la forma que se presenta en la Fig. 59.

El volumen de la tolva de lodos puede ser calculado mediante fórmulas como la que se

presenta en titulo sedimentación de alta tasa volumen de lodos. Un buen criterio es

dejar para depósito de lodos un 20 % adicional sobre el volumen de la zona de

sedimentación, quedando la frecuencia de lavado determinada por dicho volumen.

Tolva

Forma Como se

Depositan los Lodos

si el Fondo Fuera

Plano

5-10 %

2.5-5 %

L/3 2L/3

CORTE

Variable

Variable

PLANTA

Fuente. Elaboración propia

Fig. 59. Forma de la tolva de lodos

194




ENTRADA DE AGUA

CANALETA

POZO DE ENTRADA

ENTRADA

AGUA CRUDA

PUENTE

BARREDOR DE

LODOS

SALIDA

CANALETA

PERIFERICA

ENTRACCION

DE LODOS

BARREDOR

DE LODOS

Fig. 60. Sistema de remoción de lodos es sedimentadores circulares.


195




3.2.4 LECCIÓN 39: CRITERIOS DE DISEÑO PARA SEDIMENTADORES HORIZONTALES

(CONVENCIONALES)

En esta zona es necesario considerar los siguientes factores en el diseño de la zona de

sedimentación: carga superficial, periodo de detención y profundidad, forma de los

sedimentadores, velocidad horizontal de escurrimiento relación largo – profundidad y

número de unidades.

Carga superficial. La carga superficial, como fue considerada anteriormente, es la

relación entre el caudal que ingresa al sedimentador, Q y el área superficial A , esto

es:

Q

Vsc

A

Dicho parámetro se refiere a la velocidad crítica mínima que produzca una

eficiencia remocional esperada, comprendida entre el 70 % y el 98 %. Su valor

depende de los siguientes factores: calidad del agua cruda, peso y grado de

hidratación del floc, forma y tipo de decantador adoptado, control del proceso,

tipo de coagulante utilizado y grado de eficiencia deseado.

La determinación de la carga superficial puede hacerse experimentalmente o

seleccionarse de parámetros de tipo general tal como fue descrito en el numeral

8.3.1. La carga superficial debe estar entre 15 m 3 /(m 2 .día) y 30 m 3 /(m 2 .día).( RAS

2000)

Período de retención. El período de detención es el tiempo que tarda la partícula

critica en llegar desde la superficie del agua hasta el fondo de la zona de

sedimentación y por consiguiente depende de la profundidad, esto es, cuanto

menor sea ésta, menor será el tiempo de detención necesario para la remoción de

la partícula crítica. La RAS (2000) recomienda un t de 2 – 4 horas.

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

Forma de los sedimentadores. Para tanques rectangulares, la relación entre

longitud a ancho (L/B) entre 3:1 y 5:1 (López Cualla, 1995), dando mejores

resultados los tanques largos. La relación entre el largo y la profundidad debe estar

entre 5 : 1 y 25 : 1.

196




Velocidad horizontal. La velocidad produce dos efectos opuestos: ayuda a la

floculación en los tanques aumentando el peso y el tamaño de las partículas que se

desean remover, y arrastra y resuspende los flóculos ya depositados. Por

consiguiente el valor de la velocidad debe ser tal que estimule la floculación sin

producir arrastre de sólidos. El sedimentador de flujo horizontal debe diseñarse de

forma que permita una velocidad horizontal del flujo de agua de máximo 1 cm/s.

Para el caso de que se utilice sulfato de aluminio, la velocidad horizontal optima

podría ser alrededor de 0.5 cm/s o menos (RAS 2000).

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

Número de unidades: En una planta deben existir por lo menos dos unidades. Para

los niveles bajo y medio de complejidad, la planta de tratamiento debe tener

como mínimo dos unidades, de tal manera que cuando una se saque de servicio, ya

sea por lavado o por reparación, se pueda seguir trabajando con la otra.

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

(RAS 2000).

Los principales criterios de diseño se simplifican en la Tabla 36

Tabla 36. Criterios de diseño para sedimentadores convencionales

Fuente, (Villegas de Brigard, 2008).

197




3.2.5 LECCIÓN 40: EJEMPLO DE DISEÑO

Diseñar cuatro sedimentadores convencionales rectangulares en paralelo, para la

población de San Pedro con los datos obtenidos anteriormente. Teniendo en cuenta que

el análisis de laboratorio de columna de sedimentación reportó una carga superficial de 20

m 3 /m 2 *d, producirá una remoción satisfactoria por sedimentación a una profundidad de

4.5m.

Solución:

a) Calculo del caudal unitario

Qt 0.15m3/

s

3

3

Q 0.038m

/ s 38L

/ s 3240m

/ d

n 4

b) El área del sedimentador será:

As

Q

q

3

3240m

/ d

3 2

25m

/ m * d

130m

2

c) Ancho del sedimentador

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

A

2

b 130m

5. 7m

L / B 4

d) La longitud será

A m

L 130 2

23m

b 5.7

198




e) El tiempo de retención será:

2

A*

H 130m

* 4

TRH 0.16d

3. 8h

OK Chequea TRH (2-4h)

Q 3240m3/

d

f) La velocidad horizontal del flujo será:

3

Q 3240m

/ d

Vh 142.3m

/ d 0.16cm

/ s

H * B 4 * 5.7

g) Cálculo del vertedero de salida

La carga sobre el vertedero se calcula según la ecuación

Q

B

3

3240m

/ d

3

568.4m

/ s * m

5.7m

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

Q * b

3

Qc 3240m

/ d *5.7m

3

2931.4m3/

d 0.034m

/ s

b 2 * anchocanal

(5.7m

2 * 0.3m)

La profundidad de la lámina en ella será de:

2 / 3

2 / 3

Qc 0.034m3/

s

h0 0. 18m

1.375*

ac 1.375*0.3

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

Por lo tanto para calcular la la altura del vertedero de salida aumentamos de 10 –

15 cm, de la altura de la lámina de agua, con lo cual la profundidad del vertedero

Hv = 0.18+0.12 = 0.3m

199




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

sedimentador convencional.

0,4 0,4

4.0 0,5

7.7 15.3

0,2 0,3 0,2

23

Fig. 61. Vista en corte sedimentador

200

5.7




23

0,2 7.7 15.3 0,2

Fig. 62. Vista en planta sedimentador

201




3.3 CAPITULO 9: FILTRACIÓN

3.3.1 LECCIÓN 41. TEORÍA DE LA FILTRACIÓN

3.3.1.1 Antecedentes

La filtración es un proceso físico, químico y (en algunos casos) biológico para separar del

agua las impurezas suspendidas mediante el paso a través de un medio poroso (Schulz &

Okun, 1998). Estudios reportan que es un proceso empleado rudimentariamente, hace

aproximadamente 7000 años, los primeros filtros tuvieron un carácter doméstico. Se

usaron por mucho tiempo los filtros de piedras porosas colocadas en tinajeros. En Francia

se difundieron mucho en los siglos XVIII Y XIX los filtros de esponja, paño, lana y otros

materiales. Cuando se hicieron los primeros filtros no domésticos el agua filtrada no se

distribuía por tuberías, sino que se vendía por galones al consumidor. Así surgieron las

primeras compañías de agua que fueron de carácter privado. A partir de 1856, en Francia,

aparecieron los filtros a presión: “Fonvielle” y “Souchon”. Los primeros estaban

constituidos por un cono truncado de hierro fundido con tapa semiesférica, en el cual

había 0.7 m de lecho filtrante compuesto de 0.25m de esponjas marinas, 0.25 m de piedra

caliza, se lavaban extrayendo el material filtrante. Los segundos estaban constituidos por

tres lechos de paño de 0.2 m de espesor. El objeto de estos filtros era colocar los

sedimentos del agua

El proceso evolucionó hasta sistemas de filtración lenta en arena desarrollado en 1804, y

se popularizó el uso de la escuela de la filtración descendente, a fines de este siglo muchas

ciudades del viejo y nuevo mundo ya habían construido plantas de filtración.

El desarrollo tecnológico continúa hasta la construcción de los filtros rápidos en arena,

que aparecieron en Norteamérica, en 1855. La gran innovación fue en la limpieza del

lecho filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo, se hacia

invirtiendo el sentido del flujo, que en modo filtración era de arriba hacia abajo y en modo

lavado de abajo hacia arriba, con lo cual se eliminaban las impurezas que habían quedado

retenidas en el lecho. Esto facilitaba la operación casi continua del filtro y permitía uso de

cargas superficiales considerablemente mayores (aproximadamente 30 veces más) que la

de los filtros lentos.

En los últimos años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido

desarrollando notablemente, logrando mayores eficiencias con base en un mejoramiento

del medio filtrante, y una optimización de los procesos de operación, en especial en el

medio filtrante donde la tecnología de membrana de micro, ultra y nano filtración, se

202




convierten en un gran desarrollo tecnológico para tratamiento de agua (SALAZAR GAMEZ,

2005). Sin embargo los principios fundamentales de la teoría de la filtración se siguen

aplicando, incluso en los procesos modernos.

La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en

una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, la filtración

es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua y,

por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad

coincidente con los estándares de potabilidad. La Fig. 63, presenta el sistema de filtración

de la planta de tratamiento “Rio Cali” de EMCALI, esta compuesta por una serie de filtros

rápidos, de medio de soporte mixto y de flujo ascendente.

Fig. 63. Sistema de Filtración planta de tratamiento Rio Cali. EMCALI.


203




Fig. 64. Vista parcial de bateria de filtros de ETA Gravatá.

Con acceso en: www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam08_rap.htm

3.3.1.2 Tipos de unidades de filtración

La filtración puede efectuarse de muchas formas: Con baja carga superficial (filtros lentos),

con alta carga superficial (filtros rápidos), en medios porosos (pastas arcillosa, papel

filtro), o en medios granulares (arena, antracita, granate o combinados, con flujo

ascendente de abajo hacia arriba o descenderte de arriba hacia abajo y mixto (parte

ascendente y parte descendente). Por último el filtro puede trabajar a presión o por

gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante.

La Tabla 37, presenta la clasificación de los filtros según la velocidad de filtración, medio

filtrante, sentido del flujo y carga sobre el lecho (Arboleda Valencia, 2000).

Tabla 37 .Clasificación de los filtros

Según la velocidad

de filtración

Rápidos:

120 – 360

m 3 /m 2 /día

Según el medio filtrante

usado

1. Arena ( h =60-75 cm)

2. Antracita ( h =60-75

cm)

3. Mixtos:

Arena ( h =20-35 cm)

Antracita( h =35-50 cm)

Según el

sentido del

flujo

Ascendentes

Descendentes

Flujo mixto

Según la carga

sobre el lecho

Por gravedad

Por presión

204




Lentos:

7-14 m 3 /m 2 /día

Arena

( h =60-100 cm)

Descendentes

Ascendentes

Horizontal

Por gravedad


La filtración se identifica por la velocidad de pasaje del agua a través del manto filtrante o

del manto poroso, medida como carga superficial CS, o sea el cociente entre el caudal, Q,

y el área filtrante A f :

CS

En donde

Af = Área superficial

Q = Caudal que entra al filtro

CS = Carga superficial

Q

A f

Filtración por gravedad

La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente se emplea en las plantas de

tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor económico es la variable que

define su preferencia de uso. Estas unidades pueden ser de flujo ascendente (“filtro ruso”)

y ser operadas con tasa de filtración constante o declinante. Cuando es de flujo

descendente, la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o constante en

filtros de lecho único de arena o de lechos múltiples.

Filtración ascendente

La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua afluente escurre en el sentido

en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que hace posible que todo

el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la remoción de partículas

suspendidas.

Aunque en la filtración ascendente de agua decantada las carreras de filtración resultan

más largas si se las compara con la filtración descendente en lecho de arena, la carga

hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros y el mayor espesor de la capa han limitado

mucho el uso de la filtración ascendente.

La aplicación más ventajosa de este tipo de unidades es la filtración directa, en la que los

productos químicos se aplican y dispersan en el agua cruda antes de la filtración. En

seguida, el agua es conducida a los filtros por la parte inferior. Este tipo de unidades están

205




siendo muy utilizadas en algunos países de Europa, de América del Sur y de

Centroamérica.

Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes:

a) Tasa de filtración: 120 a 200 m 3 /m 2 /día.

b) Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los

más comunes.

c) Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten

tuberías individuales o tuberías individuales provistas de medidores y reguladores

de caudal.

La Fig. 65, presenta en forma esquemática, el diseño de un filtro de flujo ascendente de

tasa constante con fondo de placas perforadas.

Fig. 65. Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante

Fuente: (Maldonado Yactayo, 2004)

206




3.3.2 LECCIÓN 42. MECANISMOS DE FILTRACIÓN

Como las fuerzas que mantienen a las partículas removidas de la suspensión adheridas a

las superficies de los granos del medio filtrante son activas para distancias relativamente

pequeñas (algunos angstroms), la filtración usualmente es considerada como el resultado

de dos mecanismos distintos pero complementarios: transporte y adherencia.

Inicialmente, las partículas por remover son transportadas de la suspensión a la superficie

de los granos del medio filtrante. Ellas permanecen adheridas a los granos, siempre que

resistan la acción de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinámicas

del escurrimiento.

El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico, afectado principalmente

por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia entre

partículas y granos es básicamente un fenómeno de acción superficial, que es influenciado

por parámetros físicos y químicos.

Los mecanismos que pueden realizar transporte son los siguientes:

a) cernido;

b) sedimentación;

c) intercepción;

d) difusión;

e) impacto inercial;

f) acción hidrodinámica, y

g) mecanismos de transporte combinados.

Los mecanismos de adherencia son los siguientes:

a) fuerzas de Van der Waals;

b) fuerzas electroquímicas;

c) puente químico.

Cuál de estos mecanismos es el que controla el proceso de filtración ha sido asunto de

largos debates. Es indudable que no todos necesariamente tienen que actuar al mismo

tiempo y que, en algunos casos, la contribución de uno o varios de ellos para retener el

material suspendido es quizás desdeñable.

207




Pero hay que tener en cuenta que dada la complejidad del fenómeno, más de un

mecanismo deberá entrar en acción para transportar los diferentes tamaños de partículas

hasta la superficie de los granos del medio filtrante y adherirlas.

Mecanismos de transporte

Los distintos mecanismos que pueden realizar transporte de las partículas dentro de los

poros del medio filtrante están esquematizados en la Fig. 66.En ella se ve cómo

simultáneamente pueden actuar varias causas para aproximar el material suspendido

hasta los granos del medio filtrante. Es interesante destacar que estas causas varían si la

filtración se produce en las capas superficiales o en la profundidad del medio filtrante.

En el primer caso, la acción física de cernido es el factor dominante, mientras que en el

segundo caso es el de menor importancia.

Fig. 66. Diferentes mecanismos que pueden realizar transporte


Cernido

Resulta evidente que cuando la partícula es de tamaño mayor que los poros del lecho

filtrante, puede quedar atrapada en los intersticios. El cernido, en general, actúa solo en

las capas más superficiales del lecho y con partículas relativamente fuertes, capaces de

resistir los esfuerzos cortantes producidos por el flujo, cuya velocidad aumenta en las

constricciones.

Sedimentación

La remoción de las partículas menores que los tamaños de los poros puede ser debido al

efecto de la gravedad, que hace que se sedimenten sobre la superficie de los granos.

208




Intercepción

Cuando la velocidad de escurrimiento es baja y las partículas suspendidas tienen

densidades aproximadamente iguales a la del agua, estas viajan a lo largo de líneas de

flujo. Inicialmente el floc, comienza a pegarse a la cara superior de los granos hasta llegar

a cubrirlos completamente, formando una película que va creciendo con el tiempo,

disminuyendo el tamaño de las constricciones por lo que aumentan el esfuerzo cortante,

lo cual hace aparecer segmentos que cuelgan de los granos hasta que eventualmente se

rompen para ser retenidos por granos mas profundos que se encuentran menos

recubiertos. Este proceso de arrastre de la película se hace cada vez mayor, con lo que la

colmatación del medio filtrante progresa en profundidad.

Difusión

Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas a

difundirse desde zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Si se

tiene en cuenta que la mayor parte de las partículas que entran en un filtro tienen un

tamaño menor que 10 u (15), la difusión se constituye en una causa importante de la

remoción de arcilla, más que todo en zonas donde la velocidad de flujo es prácticamente

cero.

La eficiencia del filtro debida a la difusión es directamente proporcional a la temperatura e

inversamente proporcional al diámetro de la partícula del grano.

Impacto inercial

Durante el escurrimiento, las líneas de flujo se curvan en la proximidad de los granos del

medio filtrante; si la velocidad es alta y las partículas suspendidas relativamente grandes,

la inercia que poseen hace que estas puedan seguir trayectorias diferentes a las líneas de

flujo, continuando con su recorrido original lo cual hace que choquen con los granos del

lecho para quedar adheridas a ellos, tal como puede observarse en la Fig. 67.

Fig. 67. Mecanismo de impacto inercial


209




Acción hidrodinámica

La remoción de partículas flocúlenlas de tamaño relativamente grande (~ 10 µm) es

atribuida a la acción hidrodinámica, según se muestra en la Fig. 68. La comprensión de

este mecanismo se facilita cuando se considera un escurrimiento en el que el gradiente de

velocidad es constante.

Fig. 68. Mecanismo de acción hidrodinámica


Mecanismos de adherencia

La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada,

principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de

los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los

granos como a partículas previamente retenidas. La adherencia es atribuida más que ha

mecanismos puramente físicos, a una serie de factores químicos y electroquímicos, siendo

los mas importantes las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas electrocinéticas y el puente

químico. Se ha sugerido, inclusive, que la filtración no es más que un caso especial de la

floculación, donde algunas partículas son fijas (aquellas adheridas inicialmente a los

granos) y otras suspendidas.

Fuerzas de Van der Waals.

Las fuerzas de Van der Waals son altamente responsables de la adhesión de partículas a

los granos de filtro. Dentro de una pequeñísima distancia desde la superficie de los granos,

las fuerzas de adhesión son operativas, existiendo un volumen alrededor de cada grano

que se llama espacio de adhesión. Las partículas suspendidas que entran en él pueden ser

removidas del flujo, a medida que sean atraídas para adherirse a la superficie de los

granos.

Fuerzas electrostáticas.

Las fuerzas electrostáticas combinadas con las de Van der Waals son las que determinan la

adsorción entre partículas. Teniendo en cuenta la carga eléctrica de los granos y las

partículas se pueden presentar tres situaciones:

210




- Los granos son negativos y las partículas positivas. En este caso existe una fuerza

atractiva entre el medio filtrante y las partículas, lo que hace que la sola aproximación

pueda producción atracción y adhesión.

- Los granos son negativos y las partículas neutras. En este caso la barrera de energía ha

desaparecido y todo contacto puede producir adhesión.

- Los granos son negativos y las partículas también. En este caso existe repulsión. No

obstante, las fuerzas hidrodinámicas pueden vencer la barrera de energía y aproximar

suficientemente las partículas a los granos para que sean efectivas las fuerzas de Van

der Waals, aunque la probabilidad de adhesión en esta situación es menor que en las

anteriores.

Puente químico.

Las cadenas poliméricas adheridas a la superficie de las partículas dejan sus segmentos

activos extendidos en el agua. Dichos segmentos pueden ser absorbidos por otras

partículas o por sitios vacantes en la superficie de los granos. Este fenómeno es

independiente de las fuerzas de Van

der Waals y de las cargas electrostáticas. Este fenómeno se acrecienta al atravesar las

partículas las constricciones del lecho. El uso de ayudantes de filtración o polielectrolitos

inyectados en el afluente al filtro puede, por eso, ser de gran utilidad para aumentar la

adhesión de la materia suspendida al medio filtrante. La Fig. 69, esquematiza el fenómeno

del puente químico.

Fig. 69. Esquema del puente químico


211




3.3.3 LECCIÓN 43. CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS

La finalidad de los filtros en una planta de tratamiento de filtración rápida es la separación

de las partículas y los microorganismos que no han sido removidos en el proceso de

sedimentación. Se hace referencia en esta lección a los filtros rápidos descendentes, de

medio doble de arena y antracita y de tasa declinante.

En el diseño de la unidad deben considerarse los siguientes componentes:

a) Sistema de entrada de agua

b) Medio filtrante

c) Caja del filtro

d) Sistema de drenaje

e) Sistema efluente

f) Sistema de lavado del filtro

3.3.3.1 COMPONENTES DE UN FILTRO.

La Fig. 70, muestra el esquema de un filtro rápido, el cual está compuesto por un lecho

filtrante que constituye la parte activa del proceso de filtración, una grava de soporte que

retiene el lecho y un falso fondo que recoge el agua filtrada y distribuye uniformemente el

agua de lavado; adicionalmente existe una estructura de distribución e ingreso del agua,

en este caso un canal común a todos los filtros que tiene orificios sumergidos para la

alimentación de cada unidad, una o varias canaletas de lavado que recolectan el agua

ascendente mediante la cual se limpia el lecho filtrante, un canal de agua de lavado por

medio del cual se evacua el agua proveniente del lavado y un vertedero de salida que fija

el nivel mínimo de agua en el filtro y crea la cabeza necesaria para efectuar el lavado de

una unidad con el agua de las otras a través del canal de interconexión.

212




CANAL DE DISTRIBUCION

AGUA DECANTADA

N. MAXIMO

DECANTADOR

N. MINIMO

VERTEDERO DE

SALIDA

ENTRADA

SUMERGIDA

CANALETA DE LAVADO

AGUA PARA

LAVADO

SALIDA DE AGUA

DE LAVADO

TANQUE

CANAL DE AGUA

DE LAVADO

GRAVA DE SOPORTE

SISTEMA DE DRENAJE

CANAL DE INTERCONEXION

DE FILTROS

DRENAJE

Fig. 70. Componentes de un filtro

Lecho filtrante.

Un lecho filtrante funciona de la siguiente forma: Inicialmente el lecho está limpio y el

agua sedimentada es obligada a pasar a través del filtro por acción de la gravedad. Por la

combinación de los mecanismos que gobiernan la filtración, el material suspendido es

retenido en el lecho filtrante hasta que llega un momento en que éste se colmata, es decir

se obstruyen los poros por donde circula el agua, aumentando la pérdida de carga, esto es

la altura de la lámina de agua dentro de la caja del filtro, hasta valores que hacen

necesario lavado. Para esto, lo que se hace es invertir el sentido del flujo haciendo que el

agua pase de abajo hacia arriba logrando con esto que los granos del lecho se fluidifiquen,

es decir, queden suspendidos por la corriente ascendente sometidos a una fuerza de

cizalladura que despega y arrastra el material por ellos retenido, efectuándose de esta

manera su limpieza. Después del primer lavado que se hace al filtro, al asentarse

nuevamente los granos, el lecho se estratifica quedando las partículas pequeñas arriba y

las grandes abajo y como consecuencia, espacios interparticulares (vacíos) de mayor

tamaño abajo que arriba. Por la forma como el agua pasa por el filtro, flujo descendente,

el lecho filtrante no se utiliza adecuadamente debido a que las partículas suspendidas

quedan retenidas en la parte superior precisamente donde el tamaño de los espacios

interparticulares es menor, lo cual aumenta la posibilidad de contacto entre las partículas

de la suspensión y los granos del lecho, esto es mayor eficiencia remocional pero

simultáneamente menor es el espacio de vacíos y por consiguiente, existe menor

capacidad de almacenamiento de sólidos, es decir, los sólidos suspendidos colmatan el

213




filtro en las capas superiores y no se logra utilizar la parte inferior del lecho, Para resolver

este problema, se emplean los lechos filtrantes múltiples, En el caso de los lechos dobles,

se coloca una capa de antracita en la parte superior, encima de la arena y debido a su

mayor tamaño efectivo y a su mayor tamaño de espacios interparticulares, la antracita

permite que el floc penetre más profundamente dentro del lecho haciendo que el filtro no

se cólmate solamente en las capas superiores; el material suspendido que logre atravesar

la antracita, es retenido en la arena aumentándose de esta forma la capacidad de

almacenamiento de flóculos ya que los sólidos removidos son distribuidos más

uniformemente entre las capas más profundas del lecho; la antracita que es de menor

densidad tiende a permanecer sobre la capa de arena después del lavado en sentido

ascendente. La disposición de las capas de antracita y arena con granulometrías diferentes

permite conseguir en forma parcial que los vacíos interparticulares del lecho disminuyan

en el sentido del flujo del agua. en la Fig. 71, podemos observar un filtro vacío, en donde

se observa que esta compuesta en su parte superior de antracita, y en su parte inferior de

arena.

Lecho filtrante

Fig. 71. Lecho filtrante mixto

Fuente. PTAP la Unión – Nariño (2010). Elaboración propia

Composición de los lechos filtrantes

El filtro puede ser de un solo medio (arena o antracita), de medio dual (arena y antracita)

o lechos mezclados. Puede ser de profundidad convencional de 0.6 m a 0.9 m o de capa

profunda de más de 0.9 m de altura (RAS 2000). Las partículas deben ser duras,

resistentes, de forma preferiblemente redondeada sin esquistos ni partículas extrañas,

libre de lodo, arcilla o materias orgánicas.

214




Una síntesis de las características de los medios filtrantes nos la presentan

(Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2003), en su libro Wastewater Engineering, ver Tabla

38.

Tabla 38. Características de los medios filtrantes.

215




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

216




Grava de soporte.

La grava de soporte se coloca sobre el sistema de drenaje cuando éste lo requiere y tiene

un doble propósito:

- Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante La

filtración; y

- Hacer que se distribuya el agua de lavado, evitando la formación de chorros.

Sistema de drenaje.

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

- Recolectar y extraer uniformemente el agua filtrada

- Distribuir el agua de lavado con presión uniforme.

Los sistemas de drenaje pueden clasificarse en tres tipos: tuberías perforadas, falsos

fondos y placas porosas. Cada tipo de drenaje tiene especificaciones, tamaños y formas

diferentes que dependen de las casas matrices, 'en caso de que sean estructuras

patentadas, o de los planos de construcción que originan un proceso de cálculo, cuando

éstas son dimensionadas por el proyectista. Se presentan en las Fig. 72, Fig. 73,Fig. 74,

Fig. 75, algunos de los principales tipos de drenajes.

Niples de

PVC

Gráva de soporte

Refuerzo

Mortero

Orificios

ELEMENTO PREFABRICADO

Apoyo

Apoyo

FALSO FONDO

Fig. 72. Falso fondo con viguetas prefabricadas

217





Fig. 73. Tuberías perforadas para trabajo con grava



Fig. 74. Fondo Leopold

1000mm

300mm

Ø3.2mm

Ø5.6mm

Ø6.4mm

Ø19mm

300mm

218




Fig. 75. Bloque plástico para lavado con aire y agua


La Tabla 39, se especifican los tipos de drenes aceptados en el RAS 2000.

Tabla 39 Sistemas de drenaje

Tipo Consiste en Se usa con

Tubo principal y laterales Lavado con solo agua, con o

Tubería perforada

perforados, se emplea con sin lavado superficial para

grava, bloques difusores o alta o baja velocidad

boquillas insertadas descendente

Bloques perforados

Lavado con solo agua, con o

de sin lavado superficial para

arcilla

alta velocidad ascendente

Falsos fondos

Placas porosas


Bloques o canaletas

perforadas en acero o

plástico para uso con o sin

grava

Boquillas de cola corta

Boquillas de cola larga

Prefabricados de concreto

para uso con grava

Placas flexibles para

reemplazo de grava

Lavado con aire primero y

agua después o con aire y

agua simultáneamente, con

alta o baja tasa de lavado.

Lavado con solo agua y alta

velocidad ascendente con o

sin lavado superficial

Lavado con aire y agua

simultáneamente para baja

velocidad ascendente

Lavado mutuo con agua de

un filtro con el flujo de los

otros, para velocidad

ascendente. Para el lavado

mutuo pueden utilizarse los

otros sistemas adecuándolos

debidamente

Lavado con aire y agua o

agua sola según el dren y

alta velocidad ascendente

219




3.3.4 LECCIÓN 44: PARÁMETROS DE DISEÑO

Tasa de filtración.

La tasa de filtración debe ser cuidadosamente escogida teniendo en cuenta las

características del lecho filtrante, las condiciones de operación de la planta y la calidad del

agua que se desea producir. No obstante la existencia de recomendaciones de tipo

general, se considera que la forma más racional de determinar la tasa de filtración es

mediante la experimentación en plantas piloto que trabajen en condiciones similares a las

que se requiere que prevalezcan en el proyecto. Sin embargo investigaciones reportan

rangos en que pueden estar las tasas de filtración, la Tabla 38 y la Tabla 40, presenta

algunos valores de tasas de filtración recomendados (filtration rate).

Número de filtros.

El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una y de

la tasa de filtración, para un determinado caudal de diseño de la planta. Lo más

económico seria hacer una sola unidad, pues el número de tabiques, válvulas, etc. seria

mínimo. Sin embargo, por razones de operación deben existir varias unidades, de forma

que el caudal que filtra una unidad cualquiera pueda ser distribuido entre las demás, en

caso de reparación, mantenimiento o limpieza, sin que se llegue a sobrepasar el valor de

la máxima tasa de filtración permisible. Por otra parte, considerando la operación de

lavado, es preferible tener varias unidades de filtración ya que esto reduce el caudal de

agua necesario para producir una determinada expansión del lecho, así, en el caso de

utilizarse el sistema de filtros auto lavantes, se requieren por lo menos cuatro unidades

para que las tres unidades que permanecen en operación sean capaces de abastecer el

caudal de lavado de aquella que está en mantenimiento.

Cuando el lavado de los filtros se hace con fuente externa (tanque de lavado), el

número mínimo de unidades deben ser tres; y para lavado mutuo el número mínimo de

unidades debe ser cuatro.

Existen varias fórmulas para calcular el número de filtros, tal como la propuesta por

Morril y Wallace:

N 0. 044

Q

Donde:

N = Número de filtros

220




Q = Caudal total de filtración [m 3 /d]

Forma y dimensiones de los filtros.

Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta

son establecidas teniendo en cuenta que la geometría de los filtros se acomode al

esquema general de la planta tratando de aprovechar los muros de las otras unidades,

con lo que se logra máxima economía de la estructura.

El largo y el ancho del área superficial pueden definirse utilizando las siguientes relaciones

(27):

B

L

N 1

2N

L

1 3 B

Donde:

N = Número de filtros

B = Ancho del filtro [m]

L = Largo del filtro [m]

El área superficial total de filtros se determina mediante la siguiente fórmula:

Q

A T

q

Donde:

A T = Área total de filtración [m 2 )

Q = Caudal de la planta [m 3 /d]

q = Velocidad de filtración media [m 3 /m 2 .d]

Una vez hallada el área total de filtración y definido el número de unidades se puede

encontrar el área superficial de cada filtro.

Profundidad de las unidades:

La profundidad de las unidades está determinada por la altura de la estructura de

drenaje, el espesor de la grava de soporte y del lecho filtrante, el nivel máximo de la

altura del agua dentro del filtro y el borde libre. Por lo general la altura total de un filtro

autolavante está comprendida entre 4,0 y 4,5 m.

221




Altura del agua sobre el lecho.

La altura del agua sobre el lecho puede ser variable o constante, según el tipo de control

que se use pero no puede ser inferior a 0.5 m. El lecho filtrante en ningún momento debe

trabajar seco.

Pérdida de carga.

La hidráulica del filtro debe diseñarse para que como mínimo pueda disponer de 2 m de

pérdida de carga durante la carrera de filtración. La sumatoria de los descensos de nivel

en un filtro de tasa variable declinante durante la carrera debe ser por lo menos igual a

2.0 m.

Hidráulica de la filtración.

Durante el proceso de filtración se presentan en el lecho dos tipos de pérdida de carga:

una pérdida de carga inicial y una pérdida de carga acumulada debida a su colmatación.

La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la

estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua

filtrada.

La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la

estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua

filtrada. Algunos valores de pérdida de carga se observan en la Tabla 40.

Tabla 40. Criterios generales de diseño filtros

PARÁMETRO

VALOR

CRITERIOS GENERALES

CARGA SUPERFICIAL tasa de filtración (CS) m 3 /m 2 *d 120 - 360

Velocidad óptima de lavado

Tiempo de lavado T1

0.8 – 1.2 m/min

13 – 20 mm/s

5 – 15 min

PARA FILTROS LENTOS EN ARENA:

Tasa de filtración 2 - 12

2.4 – 7.2 m/d (RAS 200)

222




Duración de la carrera

Profundidad del medio

Profundidad de la grava

20 – 60d

0.6 – 1m

0.8 – 1 m(RAS 200)

0.3 m

Pérdida de carga

< 1.2 m

< 1 m (RAS 2000)

CRITERIOS PARA FILTROS RÁPIDOS

Tasa de filtración 120 - 480 m/d (RAS 200)

Duración de la carrera

12 – 36 h

Profundidad del medio 0.6 – 0.75m

0.4 -0.6m de antracita y

0.15- 0.3 m de arena

Profundidad de la grava

0.3 -0.45 m

Pérdida de carga

2.4 – 3m

>2.0 m (RAS 2000)

Porcentaje de agua de lavado 2 – 6%

Separación entre canaletas

1.5 – 2.1 m

Fuente (Villegas de Brigard, 2008)

223




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

Fig. 76. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento

sustancial aguas arriba de los filtros


224




3.3.5 LECCIÓN 45: EJERCICIO DE DISEÑO Y PLANOS

Diseñar el sistema de filtración necesario para la Población de San Pedro. La filtración

rápida para el agua proveniente del sedimentador se hará a una tasa normal de 235

m3/m2*d. El lavado ascensional debe hacerse a una tasa de 1.4 cm/s durante 15 minutos

después de una carrera de filtración de 30 h. Determinar:

• Número mínimo de filtros

• Dimensiones de un filtro

• Características del medio filtrante

• Numero y dimensiones de las canaletas de lavado de un filtro

• Porcentaje de agua requerida para el lavado.

• Altura del filtro y esquema

DESARROLLO

1. Determinación del número de filtros

2. Dimensiones de un filtro

Qu =

3. El área del filtro será:

4. Dimensiones de los filtros

Asumimos una Relación L/B = 3

225




m

L = B*3 = 2*3 = 6 m

5. Dimensiones de los lechos filtrantes

Teniendo en cuenta la Tabla 38, determinamos que el medio filtrante estará

compuesto por una capa de 0.60 m de antracita, 0.30 m de arena y 0.4 m de grava.

6. Canaletas de lavado

Se asumen 4 canaletas de lavado Nc = 4

Distancia entre canaleta centro a centro

= (L )/(Nc)

= 6 /4= 1.5 m OK (rango 1.5 – 2m )

Se diseñaran cuatro canaletas de 2 m de longitud cada una separadas entre si 1.5

m de centro a centro, de modo que las dos canaletas laterales quedaran a 0.75 m

de las paredes del filtro.

7. Determinación del caudal del lavado

Ql = vl / A = 0.014 m/s * 6m * 2 m = 0.17 m 3 /s

Caudal de una canaleta es:

= 0.042 m3/s

Asumiendo un ancho de canaleta de 0.3 m, la profundidad de la lámina de agua

será:

Ho = (0.042m 3 /s/(1.375*0.3m)) 2/3 = 0.22 m

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

226




8. El volumen de agua requerido para lavado será:

VL = Ql * Tl = 0.17 m 3 /s * 15 min * 60 s/min = 151 m 3

9. Volumen de agua filtrada en 30 horas es:

Vf = Qf * Tf = 2592m 3 /d *30h /24h = 3240 m 3

10. El porcentaje de agua filtrada requerida para el lavado es:

% = 151 m 3 /3240 m 3 * 100 = 4.7% (OK el rango debe estar entre 2 – 6%)

El diseño del filtro se presenta en el siguiente plano.

227

0,25

0,31

0,05

2

0,5

0,3

0,6 0,3 0,4

0.21

0,33




Canal de entrada

0,5

Canal de agua filtrada

ANTRACITA

0,7

ARENA

GRAVA

Canal de interconexión

0,3 1,4 0,2 2 0,3 0,6 0,2 0,95 0,3

6,25

Fig. 77 Esquema en corte del filtro

228

0,5

2

2

1

1,05




6

6 6 6 6

0,5 0,2 0,15

0,75

0,3

1,5 1,5 1,5 0,75 0,75 1,5 1,5 1,5 0,75 0,75 1,5 1,5 1,5 0,75 0,75 1,5 1,5 1,5 0,75 0,75 1,5 1,5 1,5 0,75

Canal de entrada

Canal de salida

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

229




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