Diseño de una Planta Portátil Potabilizadora de Agua de 50 Metros Cúbicos por Día



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Partes del Sedimentador

Zona de Entrada

Deberá permitir una distribución uniforme del caudal de agua floculada dentro del sedimentador para que todas las placas trabajen por igual, sin dejar de lado que el flujo debe ser laminar. Dependiendo del tamaño del sedimentador se usará un determinado distribuidor de caudal.

Para sedimentadores grandes que por lo general son obras civiles, se utilizan canales a lo largo de la unidad que puede tener ancho constante y profundidad variable o ancho variable y profundidad constante, es preferible que la variable sea la altura ya que esto permite compactar más el área de la planta.

Para sedimentadores pequeños se emplean tuberías (que por lo general son de PVC) a lo largo de la unidad con perforaciones o ramificación de tubería y se calcula la relación entre el diámetro de la tubería y los orificios con criterios de distribución uniforme.

Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y la última compuerta u orificio lateral de distribución.

Zona de Sedimentación

Esta zona se diseña en base a la velocidad crítica de sedimentación o carga superficial, la misma que de ser posible debe ser obtenida mediante pruebas de laboratorio.

El Número de Reynolds es otro factor importante para el correcto funcionamiento del sedimentador, de acuerdo con la literatura e investigaciones realizadas en prototipos, los sedimentadores de placas inclinadas se pueden diseñar con Números de Reynolds de hasta 500, sin que se obtengan disminuciones apreciables en la eficiencia alcanzada.

El grado de inclinación de las placas más recomendado y que mejor ha funcionado es de 60.



Zona de Recolección de Agua

Tiene la función de recolectar el fluido sin perturbar las partículas que se están sedimentando. Para la salida del agua se puede utilizar un vertedero, canales, tubos con perforaciones o una salida al final del sedimentador que tiene todo el ancho del mismo.



Zona Recolección de Lodos

Ubicada en la parte inferior del sedimentador, consta con tuberías y válvulas para la recolección de los lodos. La recolección de lodos deber realizarse procurando no generar corrientes o turbulencia que pueda volver a suspender las partículas sedimentadas.



Filtros de Arena

Las partículas suspendidas o coloidales del agua pueden separarse mediante el uso de filtros, los mismos que pueden ser:



  • Filtros rápidos por gravedad

  • Horizontales

  • A Presión

  • Filtros de Arena

Los tres primeros se consideran procesos físicos y pueden utilizarse para filtrar al agua bruta de manera directa sin tratamientos previos. La filtración lenta en arena es principalmente un proceso biológico.

El agua que sale del Sedimentador tiene una baja turbidez, para este tipo de aguas son más adecuados los filtros arena, los mismos que consisten en hacer pasar el agua a través de diferentes capas de arena y grava.

Las características del medio filtrante que influyen en la filtración son:


  • Tipo del medio filtrante

  • Características granulométricas del material filtrante;

  • Peso específico del material filtrante

  • Espesor de la capa filtrante.

Existen dos tipos de Filtros de Arena: Los de Lecho profundo y de presión.

Filtros de Lecho Profundo

Tienen la finalidad de remover sólidos suspendidos en el agua de tamaños promedio de 5 micras con arena y grava. Esto quiere decir que todo sólido en suspensión tales como tierra, polen, partículas pequeñas, etc. quedará retenido en el filtro para después ser desechado por el drenaje en el retrolavado. La operación de retrolavado se explicará en la operación de la planta.

Este proceso de filtración es del tipo profundo en donde la capa o también llamada cama superior de material filtrante es fragmentos de mayor tamaño, después el agua pasa a una capa de menor tamaño de fragmentos y por último pasa por una capa fina de fragmentos que hacen la filtración final.

Estas capas de material tienen diferente densidad, de tal forma que al retrolavarse las capas se acomodan siempre de fragmentos mayores en la parte superior a fragmentos finos en la inferior. Todo esto va soportado por una capa de grava. De esta manera se logra una gran capacidad de retención de sólidos suspendidos.



Filtros de Presión

Son similares a los filtros de lecho profundo, se diferencian en que la arena filtrante se coloca cilindros de acero u otra material que resista presiones de hasta 10 atmósferas. En este tipo de filtros se recomiendan velocidades de filtración inferiores a 15 m/h (la mayoría de fabricantes suelen utilizar velocidades inferiores a 10 m/h). Dicha velocidad también dependerá de la calidad del agua que ingresa al filtro, el valor podrá variar dependiendo del criterio del diseñador.

Como ventajas hay que señalar que necesitan menos superficie que los de gravedad y como inconvenientes, la dificultad de aplicación de reactivos a presión, el que ni el lecho filtrante ni el agua filtrada sean visibles, así como que tampoco pueda observarse la operación de lavado.

La turbidez y los microorganismos se eliminan principalmente en los primeros centímetros de arena, los cuales se sustituyen periódicamente ya que existe acumulación de sólidos. En la parte superficial del filtro se forma una capa biológica conocida como Schmutzdecke que elimina de manera eficiente los microorganismos, sustancias orgánicas, algunos plaguicidas y el amoniaco.



Filtro de Carbón Activado

El carbón activado es carbón poroso que se produce artificialmente, tiene un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna. Estas características, junto con la naturaleza química de los átomos de carbono que lo conforman, le dan la capacidad de atraer y atrapar de manera preferencial ciertas moléculas del fluido que rodea al carbón. A esta propiedad se le llama absorción.

El carbón activado se produce mediante el calentamiento controlado de material carbonoso, comúnmente madera, carbón, cáscaras de coco o turba, con esto se produce en el material una gran superficie específica que está entre los 500 y 1500 m2/g, y una alta afinidad con los compuestos orgánicos. Una vez que se agota su capacidad de absorción puede reactivarse quemando de forma controlada las sustancias orgánicas adheridas, pero lo más recomendado es que se usen una sola vez y se deseche.

El carbón activado se aplica en forma de polvo CAP o granular CAG. En forma de polvo se añade al agua en forma de pasta y se separa en procesos posteriores junto con los lodos generados en los mismos. El CAG como filtro de lecho fijo es mucho más eficiente que el CAP añadido al agua y por lo tanto se necesitará menor cantidad de carbón por volumen de agua.

El carbón activado se usa para eliminar:


  • Plaguicidas.

  • Sustancias orgánicas que producen olores y sabores.

  • Cianotoxinas.

  • Carbón orgánico total.

Desde el punto de vista bacteriológico, los filtros constituyen una barrera sanitaria a los microorganismos, al tener una eficiencia de remoción superior a 99%.

1.4. Guías y Normas

En situaciones de desastres naturales o emergencias, el escaso suministro de agua potable puede generar enfermedades e infecciones, por lo cual para suministrar agua a la población afectada hay que tener muy presente varios factores tales como:



La cantidad de agua disponible y la fiabilidad del suministro.

Es la principal preocupación, ya que resultaría más viable lograr una calidad de agua aceptable antes que trasladar la población hacia otra fuente de agua.



La calidad de la fuente de agua bruta

Se debe procurar que la cantidad de agua necesaria provenga de fuentes lo menos contaminadas para así realizar los mínimos tratamientos antes de suministrarla a los usuarios.

Es necesario realizar inicialmente los análisis fisicoquímicos con la finalidad de caracterizarla.

Las fuentes de contaminación y la posibilidad de proteger la fuente de agua.

Debe ser primordial la protección de las fuentes de agua, independientemente de si se realizará o no la desinfección.

Para suministrar agua a las poblaciones en situación de emergencia, suelen usarse aguas superficiales, es preciso clarificar el agua siempre se que sea necesario antes de la desinfección, esto se puede realizar mediante tratamientos de floculación, sedimentación, filtración, etc.

La necesidad de desinfectar el agua de consumo

Es de vital importancia la desinfección del agua, para garantizar una prolongada desinfección residual, para así evitar el alto riesgo de brotes de enfermedades debido a las condiciones higiénicas que suelen presentarse en las situaciones de emergencia.



La Aceptabilidad

La aceptabilidad del agua por parte de los consumidores, se debe en gran medida a los aspectos de la calidad que pueden apreciar con los propios sentidos. Un color y olor desagradables que aunque pueden no representar un peligro para la salud, provocarían un rechazo y se podría recurrir a otras fuentes menos seguras.

Para que el agua sea considerada potable debe cumplir con los requerimientos mínimos, los mismos que son emitidos por entidades nacionales e internacionales. La tabla 2 muestra los valores permisibles para cada parámetro de acuerdo con la Norma INEN 1108.

Los valores para cada parámetro deben garantizar la aceptabilidad estética del agua y no representar riesgos para la salud del consumidor.



TABLA 2

NORMA TÉCNICA ECUATORIANA NTE INEN 1108 AGUA POTABLE.

NTE INEN 1108

Parámetro

Unidad

Límite máximo permisible

Características físicas







Color

Unidades de color verdadero (UTC)

15

Turbiedad

NTU

5

Olor

--

No objetable

Sabor

--

No objetable

pH

--

6,5 – 8,5

Sólidos Totales Disueltos

mg/l

1000

Inorgánicos







Manganeso, Mn

mg/l

0,1

Hierro, Fe

mg/l

0,3

Sulfatos, SO4

mg/l

200

Cloruros, Cl

mg/l

250

Nitratos, N-NO3

mg/l

10

Nitritos, N-NO2

mg/l

0,0

Dureza total, CaCO3

mg/l

300

Arsénico, As

mg/l

0,01

Cadmio, Cd

mg/l

0,003

Cromo, Cr cromo hexavalente

mg/l

0,05

Cobre, Cu

mg/l

1,0

Cianuros, CN

mg/l

0,0

Plomo, Pb

mg/l

0,01

Mercurio, Hg

mg/l

0,0

Selenio, Se

mg/l

0,01

Cloro libre residual

mg/l

0,3 – 1,5

Aluminio, Al

mg/l

0,25

Amonio, (N-NH3)

mg/l

1,0

Antimonio, Sb

mg/l

0,005

Bario, Ba

mg/l

0,7

Boro, B

mg/l

0,3

Cobalto, Co

mg/l

0,20

Estaño, Sn

mg/l

0,1

Fosforo, (P-PO4)

mg/l

0,1

Litio, Li

mg/l

0,2

Molibdeno, Mo

mg/l

0,07

Níquel, Ni

mg/l

0,02

Plata, Ag

µg/l

0,13

Potasio, K

mg/l

20

Sodio, Na

mg/l

200

Vanadio, V

µg/l

6

Zinc, Zn

mg/l

3

Flúor, F

mg/l

1,5

Radiactivos







Radiación Total α

Bq/l

0,1

Radiación Total β

Bq/l

1,0

Orgánicos







Tenso activos ABS (MBAS)

mg/l

0,0

Fenoles

mg/l

0,0

Residuos de Desinfectantes







Mono, di y tri cloramina

µg/l

3

Cloro

µg/l

5

Calidad microbiológica del agua

Las Guías para la calidad del agua potable de la OMS indican que no es práctico monitorear cada agente patógeno que está en el agua y que el enfoque más lógico es detectar organismos que en su mayoría se encuentran en las heces de los seres humanos y de animales de sangre caliente. Siendo estos los indicadores microbiológicos: los coliformes termotolerantes y los coliformes totales. La detección de Escherichia Coli (E. coli) dará una mayor precisión de la contaminación fecal.

A través de la medición de los parámetros antes mencionados se podría garantizar en gran medida que el agua esté libre de microorganismos infecciosos.

El objetivo para todos los sistemas de abastecimiento de agua es que el recuento de E. Coli por cada 100 ml de agua sea nulo y este debería ser el objetivo incluso en situaciones de emergencia, sin embargo puede ser difícil lograrlo en el periodo inmediatamente posterior a una catástrofe, lo que pone de manifiesto la necesidad de una desinfección adecuada. Si se detecta E. coli debe investigarse inmediatamente su origen para analizar qué acciones se pueden ejecutar para evitar la contaminación.

El agua turbia debe clarificarse siempre que sea posible para que su desinfección sea eficaz. Las concentraciones objetivo mínimas de cloro en el lugar de suministro son de 0,2 mg/l en circunstancias normales y de 0,5 mg/l en circunstancias de riesgo alto.

El agua potable debe cumplir con los siguientes requisitos Microbiológicos, de acuerdo con la Norma Técnica NTE INEN 1108.



TABLA 3

REQUISITOS MICROBIOLÓGICOS DEL AGUA NTE INEN 1108

Descripción

Máximo

Coliformes Totales NMP/100ml

<2

Coliformes Fecales NMP/100ml

<2

Criptosporidium número de quistes/100 lt

ausencia

Giardia Lambia número de quistes/100 lt

ausencia

Para la selección de un sistema de tratamiento deben realizarse los siguientes análisis:

  • E. Coli, se aceptan como variante las bacterias coliformes fecales

  • Turbidez

Se realizará un análisis químico del agua para caracterizarla, además de esto se realizará la Prueba de Jarras para determinar la cantidad óptima y el tipo de coagulante a dosificar, con esto se tendrá una idea más clara de los procesos y su efectividad en el sistema operativo de la planta.

CAPÍTULO 2

2. DISEÑO DE LA PLANTA

A continuación se detallan los requerimientos y limitaciones sobre los cuales se basará el diseño y funcionamiento de la planta. También los análisis químicos y pruebas que se deben realizar a las fuentes de agua a utilizar.

Para potabilizar el agua se utilizarán tratamientos físicos, químicos y bacteriológicos. Con los requerimientos, limitaciones y análisis químicos realizados se diseñan las partes y se selección de equipos que forman la planta, la cual realizará los siguientes procesos: Coagulación, Floculación, Sedimentación, Filtración y Desinfección.

2.1. Requerimientos del Diseño

Capacidad

Ser capaz de suministrar agua potable a pequeñas poblaciones o campamentos que no superen las 400 personas en el caso de suministrar 120 litros por persona diariamente y 3000 personas en el caso de suministrar 15 litros por persona diariamente que es el mínimo que necesita una persona.

Cada una de las unidades de la planta de tratamiento será diseñada para el caudal máximo diario.

Funcionamiento

Contará con una generador eléctrico incorporado para que la planta trabaje independientemente de si hay o no energía eléctrica en los lugares donde va a funcionar. Deberá tener la menor cantidad de partes móviles posibles que requieran energía eléctrica para funcionar.

Para su fácil operación contará con un tablero de control, el mismo que deberá ser fácil de operar.

La planta debe ser capaz de funcionar 24 horas por día.



Almacenamiento

Una vez que el agua es potabilizada, esta es conducida a un tanque el cual cumple como función almacenarla para luego distribuirla. Este debe ser fácil de transportar, armar, desarmar y limpiar.



Transportabilidad

La transportabilidad tiene que ver con el peso y el tamaño de la planta, la planta deberá ser llevada en un remolque para ser de fácil movilidad por cualquier automóvil.



Peso

Debe ser lo suficientemente liviana como para que pueda ser remolcada por un vehículo pequeño.



Tamaño

El tamaño es muy importante ya que esto determinará si se puede o no transportar con facilidad y rapidez usando automotores livianos.

Las dimensiones finales no deberán exceder:

Alto: 2 metros

Ancho: 2 metros

Largo: 3 metros



Material para Fabricación

El material elegido para la fabricación es el acero inoxidable austenítico AISI 304L, estabilizado al carbono, lo que garantiza resistencia a la corrosión intercristalina, por tanto no necesita tratamiento térmico post-soldadura. Principalmente utilizado en las industrias alimenticias, químicas o petroquímicas, ya que tiene una excelente resistencia a la corrosión en varios ambientes y es más factible de conseguir en nuestro medio.



Mantenimiento

El funcionamiento de la planta será en casos de emergencia, es decir temporalmente hasta que se restablezca el normal abastecimiento de la misma. Por lo tanto el mantenimiento será en base a los cambios en los parámetros normales de trabajo, como pueden ser la turbidez del agua o variaciones de caudal y presión.



2.2. Limitaciones del Diseño

Fuente de Agua Cruda

Cuando se trabaja con estas plantas de emergencia siempre se selecciona el mejor sitio como fuente de agua, de preferencia agua de pozo por tener generalmente un bajo grado de contaminación o de un río del que exista información que no contiene contaminantes que no puedan ser eliminados con los procesos que realiza la planta potabilizadora.

En caso de que la fuente sea demasiado turbia se deberá instalar desarenadores o presedimentadores previos al ingreso del agua a la planta.

La fuente de agua no deberá contener metales pesados o sustancias muy nocivas para el consumo humano que no puedan ser tratadas por el conjunto de procesos que constituyen la planta, en caso de ser así deberá cambiarse la fuente de agua.




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