ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
CLASE 10
POTABILIZACION DEL AGUA FILTROS LENTOS
“El agua sostiene todas las formas de vida del planeta Tierra”
97 % agua de mar 3 % agua dulce
El agua dulce es un recurso finito y vulnerable, esencial para mantener la vida, el desarrollo y el ambiente. Programa 21 Reunión Cumbre de la Tierra, Río de Janeiro 1992
“El agua sostiene todas las formas de vida del planeta Tierra”
97 % agua de mar 3 % agua dulce
El agua dulce es un recurso finito y vulnerable, esencial para mantener la vida, el desarrollo y el ambiente. Programa 21 Reunión Cumbre de la Tierra, Río de Janeiro 1992
USUARIO: USUAR IO: agua potable
AGUA POTABLE
PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE AGUA CRUDA
FUENTE: agua cruda
REPUBLICA DEL PERU MINISTERIO DE LA PRESIDENCIA SEDAPAL CONTRATO DE CONCESION DEL PROYECTO “APROVECHAMIENTO OPTIMO DE LAS AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRANEAS DEL RIO CHILLON”
DISEÑO DEFINITIVO ETAPA I LECHOS DE INFILTRACION EN EL RIO CHILLON DISEÑO DEFINITIVO ETAPA II OBRAS DE CAPTACION, CONDUCCION Y ALMACENAMIENTO DE AGUA CRUDA VOLUMEN (I,II,III,IV)
UBICACIÓN DE POZOS Y PLANTA DE TRATAMIENTO
POTABILIZACION DEL AGUA INDICE
–
FILTROS LENTOS
1.
POTABILIZACION DEL AGUA 1.1 Qué es la potabilización? 1.2 Requisitos de calidad 1.3 Escalas del proceso de potabilización PLANTA DE FILTRO LENTO 2. PLANTAS DE TRATAMIENTO o PLANTAS POTABILIZADORAS 2.1 Definición 2.2 Determinación de la Capacidad de la planta 2.3 Objetivo del tratamiento 2.4 Clasificación de las aguas - Reglamento 2.5 Tipos de plantas PLANTA DEGREMONT PUCALLPA 3. DISEÑO DE UN FILTRO LENTO 3.1 Descripción del proceso 3.2 Partes de un filtro lento 3.3 Recomendaciones de diseño de una Planta de Filtro Lento Modificado 3.4 Diseño de una Planta de Filtro Lento Modificado 4. BIBLIOGRAFIA 4.1 “Potabilización de las Aguas del Río Rímac en la Atarjea”
1. POTABILIZACION DEL AGUA La potabilización del agua es un problema que afrontan los ingenieros civiles y ambientales.
1.1 Qué es la potabilización? La potabilización es un conjunto de procesos que tornan el agua cruda en agua apta para el consumo humano. El agua potable no es una agua pura sino aquella que es incapaz de dañar la salud. El agua potable se produce a partir de las aguas contaminadas provenientes de las fuentes superficiales, subterráneas y atmosféricas (lluvia). Esta producción es costosa y compleja. El agua para beber debe cumplir con una serie de requisitos de calidad física, química y biológica. Desde el punto de vista físico el agua debe ser traslúcida, con una turbiedad y color mínimo -según normas de las autoridades de Salud-, inodora e insípida. Los requisitos de calidad química implican que el agua potable no debe contener los siguientes elementos o compuestos en concentraciones totales mayores que las indicadas en la tabla a continuación.
Características de la contaminación: 1. Física - Sólidos Turbidez : Medida de la absorbancia o dispersión de la luz por los sólidos suspendidos. FUENTES:
- Erosión del suelo - Fibras vegetales - Microorganismos IMPACTO:
- Centros activos para la adsorción de productos a organismos nocivos - Dificulta la desinfección - Impide reacciones fotosintéticas en lagos y ríos MEDIDA:
- Fotométricamente (Método nefelométrico) - UNF: Unidades Nefelométricas de Formacina (Máx: 6 UNF)
Características de la contaminación: …
1. Física … - Sólidos Sólidos suspendidos FUENTES:
- Inorgánicos: Erosión del suelo (arcillas, rocas, etc.) - Orgánicos: Fibras vegetales, microorganismos - Origen humano: Uso doméstico e industrial IMPACTO:
- Centros activos para la adsorción de productos u organismos nocivos - Dificulta la desinfección - Impide reacciones fotosintéticas en lagos y ríos MEDIDA:
-
Método Gravimétrico S. Totales: a sequedad S. Suspendidos: Filtración y sequedad a 105°C S. Volátiles: Evaporación a 550°C
Características de la contaminación: …
1. Física … - Temperatura Afecta a los procesos biológicos - Velocidad de actividad - Especies presentes Influye en la solubilidad de sustancias químicas - Color FUENTES:
-
Amarillento: Hojas, maderas, etc. Rojizos: Óxidos de Fe Negro: Compuestos de Mn Industrial: Textil, papel, tintado, petroquímica, etc.
IMPACTO:
- Afecta al mercado doméstico e industrial - La demanda de cloro dificulta la desinfección MEDIDA:
- Comparación del color verdadero con el ión cloro platinado
Características de la contaminación: …
1. Física … - Olor y sabor FUENTES:
- Sust. inorgánicas (sabor): sales minerales, metales - Sust. orgánicas: derivados del petróleo - Descomposición biológica (H 2S) IMPACTO:
- Rechazo por el consumidor MEDIDA:
- Threshold odor number, TON - Sustancias radiactivas FUENTES
Natural: - Aguas bombeadas de profundidades Antropogénico: - Industria: Energía nuclear - Isótopos utilizados en medicina - Pruebas nucleares
Características de la contaminación: …
1. Física …
Sustancia
Características de la contaminación:
2. Química: -
Sales inorgánicas en disolución Acidez y alcalinidad Presencia de metales Materia orgánica (plaguicidas, hidrocarburos, solventes)
REQUISITOS DE CALIDAD QUIMICA
Expresado como
Límite máximo mg/l
Amoníaco
N
0,25
Arsénico
As
0,05
Cadmio
Cd
0,01
Cianuro
CN-
0,20
Cloruros
CL-
Cobre
Cu
1,0*
Fenol
0,002
Cr
0,05
SAAM
0,50
Flúor
F-
1,5
Hierro
Fe
0,3*
Magnesio
Mg
Manganeso
Mn
0,10*
Mercurio
Hg
0,001
Nitratos
N
10*
Nitritos
N
1,0
Plomo
Pb
0,05
Compuestos fenólicos Cromo hexavalente Detergente
Residuos sólidos filtrables
-
Selenio
Se
Sulfatos
SO42-
Zinc
Zn
250*
125
1000* 0,01 250* 5,0*
Características de la contaminación:
2. Química …
Características de la contaminación:
3. Biológicas - Presencia de microorganismos patógenos. - Eutroficación. - Alteración de la flora y fauna acuática.
Microorganismo Bacteria Bacteria Bacteria Bacteria CONTAMINANTES BIOLOGICOS DEL AGUA Y SUS EFECTOS
Virus Ameba Lombriz
Nombre Salmonella tiphi Vibrio cholerae Shigellas Grupo de salmonella Entamoeba hystolica Taenia saginata
Enfermedad tifus cólera disentería gastroenteritis hepatitis disentería amébica triquinosis
PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA La calidad del agua se define en relación con su uso o actividad a la que se le destine domiciliaria, industrial, irrigación, generación eléctrica,…
INDICADORES DE CALIDAD UNF, SS, Coliformes fecales,…
NORMAS DE CALIDAD MINSA, SUNASS, RNE, …
Respecto de la calidad del agua, la Ley General de Aguas establece (art.22 y sgtes, y el D.S.261-69-AP):
Corresponde al Minist erio
de Salud :
Vigilar el cumplimiento de las normas sobre vertimientos, pudiendo dictar las medidas necesarias para tal efecto. Llevar un registro de vertimientos. Realizar inspecciones para comprobar cumplimiento de estas normas. Calificar los cursos de agua, o tramos de ellos, de acuerdo al uso al que se les habrá de destinar y revisar periódicamente esta clasificació de acuerdo a las necesidades del país. Podrá dictar las providencias y aplicará las medidas necesarias para e cumplimiento de la presente disposición. Si la contaminación fuere inevitable podrá llegar hasta la revocación del uso de las aguas o la prohibición o restricción de la actividad dañina. Si comprobara la contravención de estas normas, la autoridad sanitari podrá pedir a la Autoridad de Aguas la suspensión del suministro. Establecer los límites de concentración permisible de sustancias nocivas que pueden contener las aguas, según el uso al que se destinen (ESTANDARES DE CALIDAD AMBIENTAL - ECA ).
Calidad del agua en la legislación de aguas
Corresponde al Minist erio
de Salud :
Estándares de calidad ambiental vigentes
(D.S. 007-83-SA, modificado por
D.S.003-2003-SA):
CAPITULO IV DE LA CLASIFICACIÓN DE LOS CURSOS DE AGUA Y DE LAS ZONAS COSTERAS DEL PAÍS Artículo 81º.- Para los efectos de la aplicación del presente Reglamento, la calidad de los cuerpos de agua en general ya sea terrestre o marítima del país se clasificarán respecto a sus usos de la siguiente manera: I. Aguas de Abastecimiento doméstico como simple desinfección. II. Aguas de Abastecimiento doméstico con tratamiento equivalente a procesos combinados mezcla y coagulación, sedimentación, filtración y cloración, aprobados por el Ministerio de Salud. III. Aguas para riego de vegetales de consumo crudo y bebida de animales. IV. Aguas de zonas recreativas de contacto primario (baños y similares). V. Aguas de zonas de pesca de mariscos bivalvos. VI. Aguas de zonas de preservación de Fauna Acuática y Pesca Recreativa o Comercial.
Calidad del agua en la legislación de aguas
Estándares de calidad ambiental vigentes
(D.S. 007-83-SA, modificado po
D.S.003-2003-SA):
I. L MITES BAC BACTERI TERIO OL GI GICO COS S (*) (Valores en N.M.P. / 100 mL) Usos Parámetro
I
II
III
IV
V
Coliformes 8.8 20,000 5,000 5,000 Totales Coliformes 0 4,000 1,000 1,000 Fecales (*) Ent Entendidos endidos como valor máximo en 80% de 5 o más muestras mensuales
VI
1,000
20,000
200
4,000
II. LÍMITES DE DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) 5 DÍAS, 20ºC Y DE OXÍGENO DISUELTO (O.D.) Valores Valo res en e n mg/L mg/L Usos Parámetro
I
II
III
IV
V
VI
D.B.O.
5
5
15
10
10
10
O.D.
3
3
3
3
5
4
Calidad del agua en la legislación de aguas
Estándares de calidad ambiental vigentes
(D.S. 007-83-SA, modificado po
D.S.003-2003-SA): III. LÍMITES DE SUSTANCIAS POTENCIALMENTE PELIGROSAS (Valores en e n mg/m mg/m3 ) Usos Parámet ro S elenio Mer cur io PCB Ester es Estalatos Cadmio Cr omo Niquel Cobr e Plomo Zinc Cianur os (CN) *
Fenoles S ulfur os Arsénico Nitr atos (N) NOTAS: * ** LC50 1+ (2) N.A.
I
II
III
V
VI
10 2 1 0.3 10 50 2 1,000 50 5,000 Cianur o WAD 80 0.5 1 100 10
10 2 1 0.3 10 50 2 1,000 50 5,000 Cianuro WAD 80 1 2 100 10
50 10 1+ 0.3 50 1,000 1+ 500 100 25,000 Cianuro WAD 100 1+ 1+ 200 100
5 0.1 2 0.3 0.2 50 2 10 10 20 Cianuro Libre 22 1 2 10 N.A.
10 0.2 2 0.3 4 50 ** * 30 ** Cianuro Libre 22 100 2 50 N.A.
Pr uebas de 96 hor as LC50 multiplicadas por 0.1 Pr uebas de 96 hor as multiplicadas por 0.02 Dosis Letal para provocar 50% de muertes o inmovilización de la especie del BIO BIO EN ENSAYO. SAYO. Vallore Va res s a se serr determ rmiinad ado os. En cas aso o de so sos spec ech har su pre rese sen ncia se ap apllicar ará á los val alo ore res s de la columna V provisionalmente. Par a el uso de aguas IV no es aplicable. V alor no aplicable.
PESTICIDA PESTICI DAS: S: Para cada uso se aplicará como límite, los criterios de calidad de aguas establecidas por el
Calidad del agua en la legislación de aguas
Estándares de calidad ambiental vigentes (D.S. 007-83-SA, modificado por D.S.003-2003-SA):
IV. LÍMITES DE SUSTANCIAS O PARÁMETROS POTENCIALMENTE PERJUDICIALES (Valores en mg/L) mg/L) Usos Parámet ro
I y II
III
IV
(1)
1.5
0.5
0.2
S .A.A.M. (2)
0.5
1.0
0.5
C.A.E.
(3)
1.5
5.0
5.0
C.C.E.
(4)
0.3
1.0
1.0
M.E.H.
(1) (2) (3) (4)
Material Extractable Extractable en Hexano Hexano (Grasa, principalmente). Sustancias activas de azul de Metileno (Detergente, (Detergente, principalmente). principalmente). Extracto Ex tracto de columna de carbón activo por alcohol (Según método de Flujo Lento). Lento). Extracto Ex tracto de columna de carbón activo por cloroformo (Según (S egún método de Flujo Lento). Lento).
Respecto a la temperatura, el Ministerio de Salud determinará en cada caso, las máximas temperaturas para exposiciones cortas y de promedio semanal.
Aspectos legales de calidad del agua potable
Ing. Johnny Marchán Peña Gerencia de Supervisión y Fiscalización
NORMATIVIDAD VIGENTE •
•
Reglamento de requisitos oficiales físico químicos y bacteriológicos que deben reunir las aguas de bebida, para ser consideradas potables Resolución Suprema 17.dic.1946 Normatividad reciente emitida por SUNASS
Resolución Suprema 17.dic.1946
Pruebas bacteriológicas •
•
Pruebas del grupo coliforme con una muestra constituida de 5 porciones de 10 ml c/u (NMP) Número de muestras mensual en función de la población:
Pruebas físico y químicas •
< 2 500 1 muestra/mes Hasta 10 mil 7 muestras/mes ….. •
Interpretación de las pruebas – Muestra contaminada aquella que tiene presencia en 3 o más de sus 5 porciones estándares examinadas. – Sistema Bacteriológicamente satisfactorio, si el número de
•
La turbidez < 10 ppm Color < 20 escala de cobalto Ninguna sustancia empleada para ser tratada. pH < 0.1 ppm Arsénico < 0,1 ppm Selenio < 0,05 ppm Será preferible que no se encuentre: Cu <3 ppm Fe + Mn < 0.5 ppm Mg < 125 ppm Cloruros < 250 Sulfatos < 250 Sólidos Tot. < 1000 ppm. pH< 10,6
Directiva N° 180-97-SUNASS
•
Objetivo Contribuir al control del Cólera y otras enfermedades, mediante la implementación de medidas preventivas en las EPS. – – –
Operación de los sistemas de agua Operación de los sistemas de alcantarillado Disposición sanitaria de excretas
Directiva N° 1121-99-SUNASS •
Físicos y químicos (semestral) – – – – – – – –
Turbiedad pH Conductividad Color Cloruros Sulfatos Dureza Nitratos
Hierro – Manganeso – Aluminio – Cobre – Zinc – Plomo – Arsénico – Mercurio – Cadmio – Cromo –
Directiva N° 1121-99-SUNASS •
Información que debe remitir la EPS – Informe sobre control de cloro residual (Trim) – Información sobre control microbiológico, físico y químico (sem) – Programa anual de purgas en redes y limpieza – de reservorios (hasta 31.ene de c/año) – – Informe de ejecución del Programa anual de – purgas en redes y limpieza de reservorios (sem)
Información clara Por cada localidad administrada Por cada tipo de componente • PTAR • A. Subterráneas • Reservorios • Redes de distribución
Las distintas secuencias y alternativas de la potabilización de agua a escala urban
FILTROS LENTOS DE ARENA: tratamiento colectivo •
•
• •
•
•
DESCRIPCION GENERAL La filtración lenta es uno de los procesos de tratamiento de agua más efectivos, simples y económicos. Es apropiado para áreas rurales. Su diseño sencillo facilita el uso de materiales y mano de obra locales. Requiere poco o ningún equipo especial. Este proceso difiere de la filtración rápida en arena, en su naturaleza biológica, su alta eficiencia y su facilidad de operación y mantenimiento para pequeñas comunidades. Al filtrarse el agua por este sistema se mejora considerablemente su calidad al eliminarse la turbiedad y reducirse considerablemente el número de microorganismos (bacteria). Debido al movimiento lento del agua y al alto tiempo de retención, este proceso se asemeja a la percolación del agua a través del subsuelo.
CARACTERISTICAS SOBRESALIENTES El agua pasa lentamente a través de un lecho de arena fina a razón de 0,1 a 0,3 m3/m2/hr. Solo funcionan adecuadamente con agua de baja turbiedad (entre 20 y 30 UNT). Requieren una área entre 0,02 y 0,08 m2 por persona. En la superficie del lecho se forma una película filtrante (schmutzdecke) que consiste en material orgánico e inorgánico retenido y una amplia variedad de microorganismos activos biológicamente, los cuales descomponen la materia orgánica. La actividad biológica se extiende hasta unos 0,4 m de profundidad. La limpieza del filtro se hace raspando unos pocos centímetros de la parte superior del lecho • • • •
• •
FILTRO LENTO
FILTROS LENTOS DE ARENA : tratamiento domiciliario DESCRIPCION GENERAL Una de las primeras técnicas aplicadas para la depuración de las aguas fue la de filtros lentos de arena. Por medio de su utilización, fue posible eliminar impurezas existentes y reducir drásticamente la cantidad de personas padeciendo enfermedades como el cólera. Este principio para el tratamiento de aguas ha sido adaptado para dar soluciones a pequeña escala, y de uso unifamiliar. De esta forma, aquellas aguas que tengan un aspecto turbio, podrán ser pasadas por materiales filtrantes y lograr mediante ese proceso mejores condiciones. En estos filtros, se desarrollan bacterias colaboradoras útiles para la eliminación de parásitos causantes de enfermedades que podrían tener las aguas turbias a filtrar. CARACTERISTICAS SOBRESALIENTES Estos filtros se fabrican a nivel casero en recipientes de plástico (barriles), de ferrocemento o de concreto. Para que un filtro nuevo pueda eliminar bacterias y virus deberá ponerse a funcionar (de 2 a 3 semanas) antes de que esta cualidad se desarrolle. El filtro no debe usarse como recipiente para el almacenamiento de agua. Alrededor del tubo de drenaje, en el fondo del tanque, se colocan 7,5 cm de grava (piedra), sobre ésta se colocan 5 cm de arena gruesa y sobre ésta, se ubica la arena fina. Para mantener siempre húmedo el material filtrante, la salida del tubo por el que se sirve el agua filtrada deberá estar por lo menos 5 cm más alto que el nivel superior de la arena. El agua filtrada puede adicionalmente ser desinfectada por medio de la aplicación de cloro. Cuando la velocidad de la salida del agua disminuye demasiado, es tiempo de darle •
•
•
•
•
•
•
• •
•
• •
2. PLANTAS DE TRATAMIENTO o PLANTAS POTABILIZADORAS 2.1 DEFINICION En las plantas se desarrolla 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. 2.2 DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE LA PLANTA La capacidad de la planta debe satisfacer: El caudal de diseño: QD = Qmd = k1*Qm •
Se aceptarán otros valores al considerar en conjunto el sistema planta de tratamiento, tanques de regulación, siempre que un estudio económico para el período de diseño adoptado lo justifique.
•
•
En los proyectos deberá considerarse una capacidad adicional que no excederá el 5% para compensar gastos de agua de lavado de los filtros, pérdidas en la remoción de
PLANTAS DE TRATAMIENTO o PLANTAS POTABILIZADORAS … 2.3 OBJETIVO DEL TRATAMIENTO
Remover ”los contaminantes fisicoquímicos y microbiológicos del agua de bebida hasta los limites establecidos en las NORMAS DE NACIONALES DE CALIDAD DE AGUA vigentes en el país”. 2.4 CLASIFICACION DE LAS AGUAS
El RNE reconoce los siguientes tipos de aguas naturales para abastecimiento público: I, II-A y II-B OS 020 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO
TIPOS DE AGUAS NATURALES PARA ABASTECIMIENTO PUBLICO TIPO
DESCRIPCION Aguas subterráneas o superficiales provenientes de cuencas con características básicas definidas en el CUADRO 1 y demás características que satisfagan los patrones de potabilidad. Aguas subterráneas o superficiales provenientes de cuencas con características básicas definidas en el CUADRO 1 y que cumplen los patrones de potabilidad mediante un proceso de tratamiento que no exija coagulación. Aguas superficiales provenientes de cuencas con características básicas definidas en el CUADRO 1 y que exijan coagulación para poder cumplir con los patrones de potabilidad.
Tipo I
Tipo II-A
Tipo II-B
CUADRO 1 PARAMETRO DBO
media
(mg/L)
DBO
máxima
(mg/L)
* Coliformes totales * Coliformes termoresistentes (+) mínimo
Tipo I
Tipo II-A
Tipo II-B
0 - 1.5
1.5 - 2.5
2.5 - 5
3
4
5
<8.8
<3000
<20000
0
<500
<4000
TRATAMIENTO MINIMO PARA CADA TIPO DE AGUA TIPO Tipo I
Tipo II-A
Tipo II-B
TRATAMIENTO Desinfección Desinfección y además: a. Desinfección simple para aguas que contienen sólidos sedimentables, cuando por medio de este proceso sus características cumplen los patrones de potabilidad, o b. Filtración, precedida o no de decantación para aguas cuya turbiedad natural, medida a la entrada del filtro lento es siempre inferior a 40 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT) siempre que sea de origen coloidal, y el color permanente siempre sea inferior a 40 unidades de color verdadero referidas al patrón de platino-cobalto. Coagulación seguida o no de decantación, filtración en filtros rápidos y desinfección.
DISPOSION DE LAS UNIDADES DE TRATAMIENTO •
•
Las unidades deben ser dispuestas de modo que permitan el flujo de agua por gravedad, desde el lugar de llegada del agua cruda a la planta hasta el punto de salida del agua tratada. De existir unidades en paralelo deben tener flexibilidad de aislamiento para la operación y mantenimiento. No se permiten diseños con una sola unidad por proceso. Se exceptúan los procesos
USUARIO: a g u a
potable
PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE
2.5 TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA Las plantas se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman en: • •
Plantas de FILTRACION RAPIDA Plantas de FILTRACION LENTA
También se pueden clasificar de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto en: • • •
Plantas CONVENCIONALES ANTIGUAS Plantas CONVENCIONALES DE TECNOLOGIA APROPIADA Planta de TECNOLOGIA IMPORTADA O DE PATENTE
1. CAPA SOBRENADANTE DE AGUA
2. LECHO DE ARENA FILTRANTE
3. SISTEMA DE DRENAJE
“DESCRIPCION HIDRAULICA DE LA BATERIA DE FILTROS DE PLANTA N O 1 DE LA ATARJEA” Félix Willy CRISTOBAL ESCOBAR, Informe Profesional de Ing. MEC DE FLUIDOS
2.6 SELECCIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA Depende de las características físicas, químicas y microbiológicas establecidas para la calidad del efluente. Se debe de evaluar el costo por m3 de agua tratada y su impacto en la tarifa del agua. Eliminación de partículas por medios físicos con todas o algunas
de las unidades de tratamiento: Desarenadores Sedimentadores Prefiltros de grava Filtros lentos Eliminación de partículas mediante tratamiento físicos químicos con todas o algunas de las unidades de tratamiento: Desarenadores Mezcladores Floculadores o acondicionadores de floculo Decantadores Filtros rápidos Cualquier tipo de tratamiento adoptado debe considerar la
desinfección como proceso final.
OS 020 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO
Cambiar de Fuente no
CALIDAD DE AGUA
no
Posibilidad de Tratamiento
no sí
Capacidad de la Comunidad
sí
sí
Posibilidad de Contaminación
sí
no
Enfermedades Hídricas
sí
no
Desinfección
POSIBILIDAD DEL TRATAMIENTO EN RELACION A LA CAPACIDAD DE LA COMUNIDAD
Diseñar Planta
Turbiedad < 25 U E. Colli NMP < 10/100 ml A R A A T P N S E L O S E N C O I O C R A P R T E L D I F N E Ó I D C C A E T L N E A S L P E D A N A I U U G
sí
Enfermedades endémicas de origen hídrico
Desinfección Filtración lenta Desinfección
sí
no Turbiedad < 50 U E. Colli NMP < 100/100 ml no
no
sí
Enfermedades endémicas de origen hídrico
sí
Prefiltración Desinfección
sí
E. Colli NMP < 1,000/100 ml
Turbiedad < 250 U E. Colli NMP < 1,000/100 ml
no
Filtración lenta Desinfección
sí
Algo de material difícil de sedimentar (coloidal)
Prefiltración Filtración lenta Desinfección
sí
Sedimentación Filtración lenta Desinfección
no
no
Sedimentación Prefiltración Filtración lenta Desinfección
sí
Turbiedad < 500 U E. Colli NMP < 10,000/100 ml no sí
E. Colli NMP < 10,000/100 ml
sí
Turbiedad < 1,000 U sí
E. Colli NMP > 100,000/100 ml
sí
Presedimentación Sedimentación Prefiltración Filtración lenta Desinfección Cambiar Fuente
AGUA CRUDA
ESQUEMAS DE SISTEMAS MODULARES AGUA CRUDA R O D A T 2 N 0 E N M I D E S
AGUA CRUDA
MODULO ½ MODULO
½ MODULO
CANAL DE DISTRIBUCION A LOS PRE-FILTROS
AGUA CRUDA PREFILTRO N0 2
CANAL DE DISTRIBUCION A LOS FILTROS
FILTRO LENTO N0 2
DESAGUE
FILTRO LENTO N0 1
HIPOCLORADOR AGUA TRATADA
E U A G R A A S M E A D C E D
PREFILTRO N0 1
CANAL DE DISTRIBUCION A LOS FILTROS
FILTRO LENTO N0 2
DESAGUE
FILTRO LENTO N0 1
R O D A T 1 N 0 E N M I D E S
CANAL DE DISTRIBUCION A LOS PRE-FILTROS
PREFILTRO N0 2
E U A G R A A S M E A D C E D
PREFILTRO N0 1
CANAL DE DISTRIBUCION A LOS FILTROS
FILTRO LENTO N0 2
HIPOCLORADOR DESAGUE
FILTRO LENTO N0 1
HIPOCLORADOR
3. FILTROS LENTOS 3.1 DESCRIPCION DEL PROCESO •
•
•
La filtración lenta es un proceso de purificación del agua que consiste en hacerla pasar a través de un lecho poroso de un medio filtrante. Durante este recorrido, la calidad del agua se mejora considerablemente por reducción del número de microorganismos (bacterias, virus, quistes), eliminación de materias en suspensión y de materia coloidal. En la superficie de un lecho ya maduro se forma una película biológica, que consta de una gran variedad de microorganismos muy activos, que descomponen la materia orgánica, mientras que gran parte de la materia inorgánica en suspensión queda retenida por acción física. (1)
(1) “GUIA PARA DISEÑO DE PLANTAS DE FILTRACION LENTA PARA EL MEDIO RURAL” MANUAL DTIAPA N0 C-3 PROGRAMA DE PROTECCION DE LA SALUD AMBIENTAL HPE Republica del Peru Banco Interamericano de Desarrollo Organización Panamericana de la Salud
FILTROS LENTOS …
3.2 PARTES DE UN FILTRO LENTO En principio, la sustancia porosa del lecho filtrante puede ser cualquier material estable, pero en el campo de abastecimiento de agua potable la practica normal es usar lechos de material granular; en particular, se usa arena por ser barata, inerte, durable, ampliamente disponible y por dar excelentes resultados. Básicamente, una unidad de filtración lenta consta de un tanque que contiene: 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
Una capa sobrenadante de agua cruda Lecho de arena filtrante Sistema de drenaje Juego de dispositivos de regulación y control de filtro.
FILTROS LENTOS …
3.2.1 Una capa sobrenadante de agua cruda Tiene dos propósitos: primero, proporcionar una carga de agua suficiente para hacer que el agua cruda pase a través del lecho filtrante; segundo, origina un tiempo de retención de varias horas del agua cruda a ser tratada, período durante el cual las partículas pueden sedimentar. La altura de agua sobrenadante es de un metro. Es práctica normal mantener el nivel del agua sobrenadante a una altura constante. Las paredes del reservorio de agua sobrenadante deben tener una altura suficiente como para dejar libre 0.2 a 0.3 m sobre el nivel del agua. Para la remoción del material sobrenadante el filtro puede estar dotado de un dispositivo (manual). El filtro debe contar, así mismo, con un vertedero de derrame o rebose que drene el exceso de agua.
FILTROS LENTOS …
3.2.2 Lecho de arena filtrante El medio filtrante debe estar compuesto por material granular, inerte y durable. Normalmente se usa arena exenta de arcilla y de preferencia libre de materia orgánica. 3.2.3 Sistema de drenaje Este sirve para dos propósitos: permite un paso libre para l recolección del agua tratada, y de soporte al medio filtrante de modo que se asegure una velocidad de filtración uniform sobre todo el área del filtro. El sistema de drenaje puede tener diversas configuraciones: drenes principales y laterales construidos de tuberías perforadas o separadas, bloques o ladrillos de concreto, etc. El sistema de drenes esta cubierto por capas de grava. La grava se tiende en capas, comenzando con los granos mayores en fondo y reduciendo progresivamente su diámet hacia arriba. La grava impide que el material granular del
3.3 RECOMENDACIONES DE DISEÑO DE UNA PLANTA DE FILTRO LENTO MODIFICADO 3.3.1 MEDIO FILTRANTE (1) Debe estar compuesto por granos de arena dura y redondeadas, de preferencia, libres de arcilla y materia orgánica. (2) La arena debe lavarse, procedimiento con el que también se eliminan los granos más finos disminuyendo el coeficiente de uniformidad y elevando el diámetro promedio de los granos de arena. (3) No debe contener más de 2 % de carbonato de calcio y magnesio para evitar que se produzcan cavitaciones en el medio filtrante al ser atacados estos elementos por aguas con alto contenido de dióxido de carbono (CO 2). (4) Idealmente, el diámetro efectivo de la arena (d 10) debe ser lo suficientemente pequeño para asegurar un efluente de buena calidad y para prevenir que la materia orgánica penetre a tal profundidad que no sea posible retirarla mediante el raspado de la superficie. Experimentalmente se ha encontrado que este diámetro efectivo es del orden de 0.15 – 0.35 mm.
3.3.1 MEDIO FILTRANTE …
(5) Se recomienda un diámetro efectivo mínimo de 0.10 mm para tratar aguas claras con alto contenido bacteriológico. Para aguas muy turbias, en cambio, se recomienda un diámetro efectivo de 0.40 mm. (6) El espesor del lecho filtrante ideal debe determinarse experimentalmente en cada caso. Sin embargo, existe un espeso mínimo para garantizar su funcionamiento que es del orden de 0.70 m y teniendo en cuenta que en 5 años de funcionamiento se retiren 0.50 m de arena mediante los raspados sucesivos, se recomienda una altura de diseño de 1.20 a 1.40 m. (7) Se recomienda un coeficiente de uniformidad (CU) menor de 3, para que los poros sean lo bastante regulares que aseguren una buena porosidad. Lo ideal es diseñar en un rango de 1.8 a 2.0, normalmente 1.5, por problemas económicos. (8) Se pueden usar otros tipos de materiales para el lecho filtrante, como ser: fibra de coco y cáscara de arroz quemado, etc. Las investigaciones realizadas al respecto recomiendan un tamaño efectivo de 0.56 mm y un coeficiente de uniformidad de 1.55 para el uso de la cáscara de arroz quemada. Con este material se pueden obtener carreras de filtración, un 60 % más largas
3.3.2 CAPA SOPORTE (1) Constituida por grava graduada con especificaciones similares a las aplicadas al medio filtrante. Las piedras deben ser duras y redondeadas, con un peso específico de por lo menos 2.5, libre de arena, limo y materia orgánica. De ser posible, debe lavarse para asegurar su limpieza. No se debe perder más del 5 % de su peso al sumergirla por 24 horas en ácido clorhídrico. (2) Su función es evitar que se pierda el material a través del drenaje y asegurar así una abstracción uniforme del agua filtrante, sobre todo cuando se ha previsto un número muy limitado de drenes. (3) La capa de grava debe diseñarse teniendo en cuenta dos valores límites: el tamaño de los granos de arena en contacto con ésta para decidir el diámetro de la grava más fina, y las característica del drenaje para seleccionar el tamaño de la grava más gruesa. (4) Teniendo en cuenta los criterios recomendados por Huisman se ha realizado un estudio de los diámetros y alturas de las capas de grava para un rango de arena cuyos diámetros efectivos (d 10) varían entre 0.10 y 0.40 mm, que son los límites máximos empleados en un filtro lento. El cuadro muestra los resultados d este estudio indicando para cada capa un rango mínimo para
Cuadro 1.- GRANULOMETRIA DE LA CAPA SOPORTE CAPAS 1 2 3
DIAMETROS (mm)
ALTURAS
mínimos
máximos
(cm)
0.5 - 2.0 2.0 - 2.5 5.0 - 20.0
0.5 - 2.0 2.0 - 2.5 5.0 - 20.0
5 5 10
3.3.3 DRENAJE (1) La recolección del agua filtrada se efectúan mediante el sistema de drenaje, el cual puede estar conformado por drenes, o por ladrillos de construcción. (2) Los tubos de drenaje están compuestos de un dren principal y de ramificaciones o drenes laterales a partir de la salida del agua filtrada. (3) Los drenes laterales se unirán al principal mediante tees o cruces, y podrán ser de concreto, de cerámica o de pvc.
3.3.4 CAJA DE FILTRO (1) Se deberán diseñar por lo menos dos unidades (N) funcionando en paralelo, cuando la población sea menor de 2,000 habitantes. Sin embargo, esto realmente está supeditado a la velocidad de filtración con la que se van a operar los filtros, y el área máxima factible de darle mantenimiento por métodos manuales en meno de 24 horas (=50 m2). Este factor también depende de la velocidad de diseño. Con velocidades bajas, del orden de 0.10 m/h, se podrán considerar dos unidades, y tres cuando ésta sea igual o mayor a 0.30 m/h. (2) La superficie de cada unidad está en función de la velocidad de filtración (Vp), del caudal (Q), del número de horas de funcionamiento continuo de la unidad (turnos), y el número de unidades (N). C 1 Q As Cuadro 2.- VALORES DE C1 N V F donde C1 es un coeficiente que depende del número de turnos (8 horas c/u) al día en que se vaya a operar la unidad.
TURNOS 1 2 3
C1 3 1.5 1
3.3.4 CAJA DE FILTRO … (3) Las dimensiones del filtro, largo (B) y ancho (A), se seleccionará de cuerdo al siguiente criterio:
A
B
A s K
A s K
donde (K) es la relación de mínimo costo que depende del número de unidades (N), según la relación: 2 N K N 1 Siendo: A = ancho del filtro (m) As = área de la filtración (m2) B = longitud del filtro (m) C1 = coeficiente dependiente de los períodos operacionales del filtro Q = caudal de diseño (m3/h) N = número de filtros
3.3.4 CAJA DE FILTRO … (4) La recomendación de la velocidad de filtración a ser adoptada se determina mediante ensayos de filtro pilotos, durante un período superior al necesario, a fin de que se den todas las variaciones d calidad de agua esperadas. Cuando no sea posible determinar la velocidad correspondiente, la velocidad máxima de filtración deberá ser de 0.10 m/h.
(5) Se podrán considerar velocidades mayores a medida en que se vayan considerando procesos preliminares al filtro.
PROCESOS Cuadro 3.-
VELOCIDADES DE FILTRACION
VF (m/h)
Filtración lenta
0.10 - 0.20
Sedimentación o prefiltración + filtración lenta
0.15 - 0.30
Sedimentación + prefiltración +
0.30 - 0.50
3.3.4 CAJA DE FILTRO … (6) La altura del agua sobre el lecho filtrante podrá variar entre 1.00 y 1.50 m, siendo la altura máxima admisible de 2.00 m.
(7) Se deberá considerar un ingreso adicional por el fondo de la unidad, para efectuar el llenado del filtro. Este ingreso se conecta con la cámara de agua filtrada. (8) Las paredes interiores de la caja, en el tramo ocupado por el lecho filtrante, deberán presentar un acabado rugosos que impid la producción de cortocircuitos. (9) La altura total de la caja del filtro no debe exceder a 4.00 m porque se encarece notablemente el costo del sistema.
3.4 DISEÑO DE UN PLANTA DE FILTRO LENTO MODIFICADO Dimensionar un filtro lento modificado para tratar un caudal de 1.0 l/s (3.6 m3/h). Los análisis de calidad de agua efectuados proporcionan los siguientes resultados: Turbiedad promedio en épocas de lluvias : 55 UT Turbiedad máxima (picos de 3 horas) : 80 UT Turbiedad mínima promedio en época seca : 12 UT • • •
El análisis granulométrico del banco de arena más cercano arrojó los siguientes resultados: Tamaño efectivo : 0.35 mm Coeficiente de uniformidad : 2.00 • •
Solución [1] Adoptando un turno de operación diario C1:
C 1
24
Por regulaciones, el número de unidades N:
N
La superficie de filtración (As) necesaria en este caso de:
As
Reemplazando los datos:
As
8
3
2
C 1 Q N V F 3
*
3.6
54 m
2
DISENO DE UN PLANTA DE FILTRO LENTO MODIFICADO … [2] Dimensiones de la sección: Si N=2, K será igual a:
K
2 N
N 1
2*2
2 1
El largo (B) de la unidad es igual: B Luego: B
54 *1.33
1.33
AsK
8.47 m
El ancho (A) es igual a: A
As
K
Luego: A
54 1.33
6.37m
DISENO DE UN PLANTA DE FILTRO LENTO MODIFICADO … [3] La capa soporte de grava se selecciona del Cuadro 1, para las características de arena disponible d 10= 0.35 mm y CU = 2.0. La grava seleccionada es la siguiente:
Cuadro 4.- DISEÑO DE LA CAPA SOPORTE
CAPAS
DIAMETRO (mm)
1
1.5
2
4.0
3
10.0
–
–
–
ALTURAS (cm)
4.0
5
15.0
5
40.0
10
Las demás dimensiones se han seleccionado del Cuadro 5 y aparecen estandarizadas en el diseño de las Figuras 9, 10, 11 y
DISENO DE UN PLANTA DE FILTRO LENTO MODIFICADO … Cuadro 5.- Resumen: CRITERIOS DE DISEÑO PARA FILTROS LENTOS
PARAMETROS
VALORES
SIMBOLOS
Velocidad de filtración (m/h) Área máxima de cada unidad (m2) Número mínimo de unidades Borde libre (m) Capa de agua (m) Altura del lecho filtrante (m)
0.10 0.20 10 100 2 0.20 0.30 1.00 1.50 1.20 1.40 0.15 0.35 mm 1.8 2.0 0.20 0.30 Cuadro 4 0.30 0.50
VF QC1/VF N H1 H2 H3 d10 CU H4
Granulometría del lecho
–
–
– – –
–
–
Altura de la capa soporte (m) Granulometría de la grava (m) Altura del drenaje (m)
–
–
H5
ALIVIADERO
CAMARA DE INGRESO Y ALIVIO
COMPUERTAS PARA AISLAR UNIDADES
CANAL DE DISTRIBUCION
LOSA PREFABRICADA
VERTEDEROS DE INGRESO
FILTRO 2
FILTRO 1
B
A ALIVIADEROS
DESAGUE
Fig. 1 .FILTROS LENTOS
ESTRUCTURA DE SALIDA Y CONTROL
METODOLOGIA DE SELECCIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUA
CONSULTA EN LA web
BIBLIOGRAFIA 27. "Potabilización del Agua” J. A. ROMERO ROJAS Alfaomega
BIBLIOGRAFIA …
28. “PURIFICACION DEL AGUA” J. A. ROMERO ROJAS Escuela Colombiana de Ingeniería
BIBLIOGRAFIA … 22.
“Water and Wastewater ”
Mark J. Hammer Mark J. Hammer Jr. Pearson Prentice Hall
